ما هو RISC-V ولماذا هو مهم؟

عندنا نتكلم عن هندسة المعالجات، قد يكون لديك فكرة عنا هو موجود. مثلا انت تعلم هم هندسة x86 و هندسة ARM، ولكن هل سمعت عن RISC-V من قبل؟ في حال كانت إجابتك بالنفي، يجب عليك متابعة المقال فنحن نتحدث عن المستقبل هنا.

في البداية، RISC-V ليس معالج. RISC-V عبارة عن معمارية لمجموعات التعليمات “Instruction set architecture”. و RISC-V عبارة عن معمارية مجموعات تعليمات حرة ومفتوحة المصدر ليتم بناء المعالجات عليها من قبل الجميع بدون تحديد.

المعمارية هي عبارة عن نموذج لكيف يمكن أن تعمل وحدة معالجة وكيف لها أن تتعامل مع الكود الذي سيتم معالجته وكيف ستقوم بتنفيذه. أما محاولة تنفيذ النموذج على أرض الواقع وتحويله من نظرية الى أمر واقعي فهو المعالج الذي يعمل بهذه المعمارية.

بما لا شك فيه، أنت تملك جهاز الكتروني يعمل بمعالج مثل الهاتف أو التلفاز وفي الآونة الأخيرة حتى ثلاجتك قد يكون فيها معالج، وبما أنك تملك هذا الكم الكبير من المعالجات، فكرة المعالج نفسها ليست بغيره عنك، وأنت تعلم أن المعالج يكلف مقدار من المال، ولكن المشكلة في هذا المعالج وسبب انه مكلف لهذه الدرجة هو أن المعمارية نفسها خاضعة لشروط حقوق الملكية الفكرية ولمخترعها الحق ببيعها وترخيصها كما شاء. هنا تبدأ المشاكل وهنا تبدأ فكرة RISC-V.

بينما انت وبكل بساطة قادر على تصميم معمارية جديدة خاصة بك، تحويل هذه المعمارية من مجرد رسومات على الكمبيوتر الى وحدة معالجة حقيقية سيكون أمر مستحيل بالنسبة لك. لست وحدك في هذا، الشركات الجديدة الناشئة والتي تقوم بتصنيع أجهزة إلكترونية صغيرة تحتاج الى معالج، لديهم خيار بشراء ترخيص معمارية موجودة حاليا في السوق بأسعار قد تفوق قيمة الشركة في بعض الأحيان، أو إختراع معمارية خاصة بهم سوف تكلفهم أضعاف قيمة الشركة. هنا يأتي دور معمارية RISC-V.

منظمة RISC-V الدولية هي منظمة غير ربحية مقرها سويسرا تم تأسيسها في العام 2015 وكانت مكونة من 29 عضو. المنظمة اليوم تحتوي على أكثر من 2000 عضو في أكثر من 70 دولة حول العالم.

المنظمة من خلال عملها قامت بتحطيم الحواجز في عالم أشباه الموصلات وقامت بالتقريب بين الشركات، الصناعات، والدول المختلفة مقابل التعاون الكامل فيما بينهم في هذا المجال. 

لماذا RISC-V مهم؟

على المستوى التقني، RISC-V لا يقدم أي جديد في مجال المعالجات وليس فيه أي اختراع جديد. ولكن هذه المعمارية مهمة لأنها سوف تسمح للشركات الصغيرة والناشئة أن يقوموا بإستخدام معمارية مجانية لمعالجات أجهزتهم بدون دفع أي رسوم ترخيص ولا مقابل لإستخدام المعمارية، هنا سيتم دفع سعر تصنيع المعالج فقط لا غير. بالنسبة للمستخدم العادي، ليس هناك تأثير يذكر سوى أن الأجهزة ستكون قيمتها أقل بكثير وسيكون هناك خيارات أوسع بكثير للاختيار عندما يتم الحديث عن معالج.

هذه المعمارية سوف تسمح لعدد كبير جدا من المبرمجين والمطورين بالعمل على تصميمات ومعالجات جديدة وثورية بدون أي داعي لدفع أي مقابل وهذا سوف يدفع بعجلة التطور بشكل كبير جدا. هذا الأمر أيضا سوف يحمي المستخدم والشركات من محاولة الشركات الكبيرة شراء منافسيهم واحتكار السوق كما حصل في صفقة شراء ARM من قبل Nvidia.

ما المشكلة في x86؟

معمارية x86 كانت نقلة نوعية في المعالجات التي ظهرت ما قبلها وقامت بعمل تغيير جذري في عالم الكمبيوتر. في الحقيقة كانت جيدة لدرجة أنها لا زالت تستخدم بعد عدة عقود من اختراعها. ولكن في حال كانت بهذه الجودة، ما الذي حصل؟

الموضوع هو أن هذه المعمارية تضخمت بشكل كبير جدا. بعد أن كانت هذه المعمارية تحتوي على عدد بسيط من التعليمات البرمجية، تحتوي المعالجات اليوم على أكثر من 1500 تعليمة برمجية وقد تصل الى أكثر من 3000 حسب تعريفنا للتعليمات البرمجية.

هذه التعليمات البرمجية هي كالكلمات في لغتنا العادية، وجود عدد كبير جدا من الكلمات يزيد من تعقيد اللغة وصعوبة التعامل معها وهذا هو الحال مع المعماريات. كلما زاد عدد التعليمات، كلما زاد التعقيد.

في الحياة العملية، قد يكون هذا التعقيد مفيد جدا في تشغيل برمجيات معقدة جدا و حواسيب كبيرة، ولكن ماذا لو أردنا تشغيل هاتف محمول أو كمبيوتر أصغر من الهاتف المحمول؟ معمارية ARM لاقت نجاح باهر بسبب قلة التعليمات البرمجية، بساطة المعمارية وبالتالي تراخيص أرخص قليلا من x86 واستهلاك أقل للطاقة بشكل رهيب.

ولكن في حال كانت معمارية x86 بهذا السوء، لماذا لا زلنا نستخدمها؟

الموضوع لا أكثر ولا أقل من الدعم البرمجي. على سبيل المثال نظام التشغيل ويندوز يعمل على هذه المعمارية، وعلى ما يبدو فإن نقل ويندوز وجميع برامجه من هذه المعمارية الى شيء أفضل ما هو إلا عمل ضخم صعب جدا وغير مربح نهائيا. مثلا نظام Windows RT كان مثال على هذه المشكلة الكبيرة. هذه النظام يعمل بشكل سيئ لدرجة أنه مسبب للإحراج!

المشكلة التالية هي أن تصميم معمارية جيدة يعتبر أمر صعب بشكل خيالي، وبالتالي معمارية كان من الأسهل تصغير الترانزيستورات في المعالج بشكل كبير بدلا من انشاء معمارية جديدة. وهذا كان حل مناسب وسهل الى أن تدخل الفيزياء الكمية في الموضوع ومنعتنا من تصغير المعالجات حيث أن الخواص الفيزيائية للعناصر تتغير على هذا المستوى من الحجم المجهري.

ما المختلف في RISC-V؟

هذه المعمارية جائت لتتجاوز العوائق التي تعصف بهذا المجال ومنها التغلب على العدد الكبير جدا من التعليمات البرمجية التي قد تكون في معظم الحالات مجرد زائدة عن الحاجة ولا داعي لوجودها. وبهذا، هذه المعمارية تأتي بعدد 50 تعليمة برمجية فقط لاغير! هذه التعليمات البرمجية مقفلة في المعمارية ولن تتغير مما يعني أن البرامج التي تعمل اليوم على هذه المعالج، سوف تعمل عليه بعد 30 عام من التطوير والتغيير في العالم التقني.

قد تقول: ولكن هل فعلا 50 تعليمة برمجية يعتبر كاف؟؟ لا. قد لا يكون هذا كاف لأي شيء. ولكن لأن المعمارية مفتوحة المصدر بالكامل ولا تحتاج رسوم ترخيص، يمكنك إضافة التعليمات التي تحتاج إليها فقط والعمل بها بدون دفع تكاليف ترخيص لأي جهة، ويمكنك بذلك بناء المعالج الخاص بك للجهاز الخاص بك، وبالتالي لديك معالج يقوم بعمل معين فقط ويستهلك مقدار ضئيل جدا من الطاقة ويقوم بعمله بشكل ممتاز جدا!

هذه الخاصية ليست حكر على RISC-V، هناك العديد من المعماريات مفتوحة المصدر القادرة على هذا الأمر. إذا، لماذا RISC-V؟

دعم الشركات

من دون وجود شركات عملاقة تدعم هذا الموضوع، سيكون مصيره الفشل كما هو الحال مع أي معمارية سابقة. معمارية RISC-V يقف خلفها فريق مكون من عدد بسيط من الأفراد وهي منظمة غير ربحية وتقدم المعمارية بشكل مفتوح المصدر وحر ومجاني للجميع، ولكن بدون دعم الأطراف الخارجية وبدون تصنيع معالجات بهذه المعمارية، لن يكون لها وجود.

هنا يأتي دور الأعضاء الداعمين للمعمارية ومن هم مهتمين بها واستخدامها، وطالما هذه الشركات تقف خلف المعمارية وتستخدمها، سيكون النجاح مُقدرا لها. من الأكثر من ألفي داعم، نذكر أن هناك شركات مهتمة جدا مثل Google, NVIDIA, Cualcomm, Samsung, Western Digital وغيرها من الشركات التي ترغب في تقليل مصاريفها على تراخيص معمارية المعالجات، وتصميم معالجات مناسبة لأعمالهم ومنتجاتهم.

معظم إن لم تكن جميع هذه الشركات تعتمد اعتماد كلي على معالجات ARM والتي لاستخدامها ستحتاج لدفع مبالغ ضخمة مقابل التراخيص اللازمة للسماح لك بإستخدام المعمارية. الإنتقال الى RISC-V سيكون له فوائد مالية عظيمة، والقدرة على تصنيع معالجات ذو كفاءة خارقة مقارنة بما هو موجود اليوم.

الأجهزة العاملة بمعالجات RISC-V

أحد الشركات الأعضاء في منظمة RISC-V هي شركة SiFive الناشئة. هذه الشركة أسسها مؤسسي معمارية RISC-V للتغلب على مشكلة التخوف من الدخول في المعمارية. هدف الشركة هو إنشاء معالجات وكمبيوترات مصغرة تعمل على هذه المعمارية بأشكال وتعليمات مختلفة لتشجيع الشركات الأخرى على الإستثمار ودخول المجال بشكل فعلي.

هذه الشركة قامت بإنشاء برمجيات و كمبيوترات عاملة على هذه المعمارية بنجاح وأحد الأمثلة على ذلك هو الكمبيوتر FU-40 والذي وصل سعره الى أكثر من 1000 دولار وكان يحتوي على معالج رباعي النواة بسرعة لا تزيد عن 1.6GHz. الهدف من هذا المعالج لم يكن المنافسة في الأداء مع أي معالج موجود في السوق، الهدف وبكل بساطة كان مجرد إثبات أن المعالج يعمل!

نعم. أتفق معك. السعر مرتفع جدا بالنسبة لمعالج لا يقدم أي جديد. في الحقيقة في تاريخ إنطلاق هذا المعالج في شهر فبراير من العام 2018، كان هذا هو المعالج الاول من RISC-V القادر على تشغيل نظام لينيكس. ولكن في ذلك الوقت لم يكن هناك إمكانية لتشغيل أي برنامج علية لان البرامج لا تعمل بهذه المعمارية! بعد 6 أشهر فقط من توفر المعالج، تم إعادة بناء ما يزيد عن 80% من مستودع Debian ليعمل على هذه المعمارية. هذا يعني أنك وكمستخدم لنظام لينيكس، لا تحتاج الى عمل أي شيء إضافي لتثبيت برامجك على هذا المعالج، مجرد أمر apt وانتهى الأمر.

ما المهم في كون RISC-V مفتوح المصدر؟

قد تعتقد أن RISC-V قادرين على إغلاق مصدر المعمارية وجعلها سر، وبالتالي تجميع كم هائل من الأموال على مر السنين كما هو الحال في x86 و ARM. ولكن المنظمة قررت أن تترك المعمارية مفتوحة المصدر. هذا أمر مهم للجميع بما فيهم أنت.

في حال قيام شركة بتطوير برنامج أو قطعة عتاد تعمل على x86 على سبيل المثال، واجهتهم مشكلة في التعريفات ولم يتم حل المشكلة في هذه الشركة نظرا لعدم معرفتهم بالمعالج المغلق المصدر، سيكون هناك حاجة للتوجه الى مايكروسوفت وانتل مثلا لحل المشكلة. بعيدا عن التكلفة المالية، هذا أمر يحتاج الى جهد من عدد من الشركات إضاعة للوقت وهذا امور تأتي بتكلفة مالية كبيرة.

في حال كان السيناريو السابق على معمارية RISC-V، سيكون هناك قدرة على تشخيص المشكلة في الشركة المطورة للعتاد بشكل مباشرو وبعدها رفع التعريف مباشرة للمستخدمين بدون وساطة ولا إضاعة للوقت ولا للأموال. مجرد تشخيص بسيط داخل الشركة من قبل المهندسين العاملين على هذه العتاد.

كون المعمارية مفتوحة المصدر هو أمر مهم جدا للشركات المفتوحة المصدر أو الاحتكارية على حد سواء. في حال قامت الشركات في الإستثمار في شركة SiFive ولكن خرجت هذه الشركة من السوق لسبب ما في مرحلة متقدمة من المشروع، لن تفقد الشركات أي شيء من الإستثمار. هذه المعمارية سوف تبقى موجودة ومفتوحة للجميع ويمكن إتمام العمل عليها بدون مشاكل.

المجال التعليمي سوف يستفيد بشكل رهيب من هذه المعمارية. في السابق، كل من يريد دراسة هذا المجال كان عليه أن يتعلم معمارية تخيلية لا تمت للواقع بصلة، وبعد إتمام الدراسة، سيتوجب عليه دخول سوق العمل والتعامل مع معمارية مغلقة المصدر لا يفقه منها أي شيء. ولكن مع توفر RISC-V، سيتم تدريس الطلاب معمارية حقيقية موجودة في العالم الحقيقي وقادرين على العمل بها بشكل مباشر. هذا سيدفع عدد أقل من الطلاب الى ترك المجال أو الحاجة لتعلم معمارية جديدة كليا بعد انتهاء دراستهم والبدء بالعمل الفعلي على معمارية موجودة بالفعل. هذا سيسبب ظهور عدد كبير جدا من العتاد الجديد العامل بمعمارية واحدة ولكن بمعالجات مختلفة حسب الحاجة.

ما رأيك في هذا المقال؟ وما رأيك في معمارية risc-v. هل انت من المعجبين بهذا التوجه أم تفضل إغلاق مصدر المعمارية؟