RISC: La arquitectura de procesadores usada por ARM para cambiar el mercado

La «nueva» arquitectura que viene pisando fuerte en el mercado de ordenadores, tanto portátiles como sobremesa, es RISC. Este es un diseño muy extendido en el mercado de procesadores para smartphone y tablets por su bajo consumo y buen rendimiento. Te vamos a explicar qué es RISC, sus principales características y otros aspectos importantes.

Qué es RISC

Son procesadores que están diseñados para ejecutar un número reducido de tipos de instrucciones que les permite operar a una velocidad más elevada. La arquitectura RISC principalmente requiere menos cantidad de hardware y una mayor flexibilidad de construcción.

Debemos tener claro que una instrucción son más que indicaciones de como el procesador debe tratar los datos. Cualquier software está construido basándose en las instrucciones. Aunque existen muchos tipos de instrucciones, las más comunes son las aritméticas, las lógicas y las de control de flujo.

Cuando hablamos de «reducido» no hace referencia a que la arquitectura RISC soporte menos tipos de instrucciones. Realmente hace referencia a que las instrucciones en RISC son más simples. Para los procesadores RISC, una instrucción de carga de datos en memoria, no hace más operaciones. El procesador espera una nueva instrucción que le diga lo que tiene que hacer con esos datos.

Implementar estas instrucciones en el procesador es mucho más sencillo. Adicionalmente ocupa menos espacio en los bloques lógicos, pudiéndolos hacer mucho más pequeños. Esto a su vez permite obtener mayores velocidades de funcionamiento.

Como las unidades aritmético-lógicas o las de punto flotante pueden ser más sencillas que en otras arquitecturas. Permite esto a su vez dejar más espacio para otros elementos en el encapsulado del procesador o reducir el tamaño del mismo.

Origen de la arquitectura RISC

El inicio del desarrollo de la arquitectura RISC empezo en la decada de 1970. Las primeras soluciones desarrolladas basadas en esta arquitectura fueron desarrolladas por IBM y las universidades de Standford y Berkeley.

Quien parece ser que acuño el término RISC fue David Patterson, Profesor de la Universidad de California en Berkeley. El concepto se utilizó en los procesadores SPARC de Sun Microsystems y fue la base de la creación de MIPS Tecnologies, actualmente parte de Silicon Grpahics.

Durante bastante tiempo se desarrollaron diferentes tipos de investigaciones sobre la arquitectura RISC. John Cocke de IBM Research, fue quien demostró que el 20% de las instrucciones de un ordenador podían realizar el 80% del trabajo.

El primer sistema que se benefició de estas investigaciones fue el PC/XT de IBM en 1980. Fue más tarde cuando IBM lo implemento completamente en el RISC System/6000.

Actualmente la arquitectura RISC, por su gran flexibilidad, es muy utilizada para desarrollar chips para smartphone y tablets. ARM es el mayor desarrollador y licenciador de chips basados en la arquitectura RISC, aunque hay muchas empresas trabajando y desarrollando procesadores basados en el diseño RISC.

Características de RISC

La arquitectura RISC se basa en cinco características de diseño:

• Ejecución en un único ciclo: La mayoría de los diseños de CPU convencionales tienen una tasa máxima de ejecución de una instrucción por ciclo de máquina básica. Para una determinada tecnología, el tiempo de ciclo puede tener un límite inferior. En las CPU complejas, la mayoría de las instrucciones generadas por el compilador suelen ser sencillas. El diseño RISC lo que hace es enfatizar solo un ciclo único de ejecución. Permite incluso sintetizar secuencias de múltiples instrucciones para operaciones menos frecuencias.
• Poco o ningún microcódigo: Los microcódigos lo que hacen es agregar capas de sobrecarga operativas. Esto lo que hace es aumentar el número de ciclos por instrucción. Algo que puede llevar a que instrucciones sencillas puedan requerir varios ciclos de cómputo.
• Pocos modos de direccionamiento: Se simplifican las instrucciones complejas y los modos de direccionamiento. Esto implica a las instrucciones del microcódigo o del multiciclo.
• Diseño de registro-registro: Únicamente carga y almacena la memoria de acceso. Estos realizan operaciones de registro-registro. Esto se deriva de los tres principios anteriores.
• Pipelining profundo y eficiente: Para hacer un uso conveniente de la paralelización del hardware sin complejo microcódigo horizontal, los procesadores utilizan canalizaciones (pipelining). Una canalización de ‘n’ etapas mantienen ‘z’ instrucciones activas de manera simultánea, terminando una en cada ciclo, idealmente. Las instrucciones deben de ajustarse cuidadosamente para permitir el pipelining.

Ventajas de estos procesadores

• Ofrecen un mejor rendimiento gracias al número simple y limitado de instrucciones que soportan
• Requiere de menor cantidad de hardware físico, lo cual reduce su coste
• Permite que el espacio libre en el encapsulado se puede usar para integrar otros circuitos
• Menos consumo energético y generación de calor, haciéndolos ideales para dispositivos móviles
• Son muy polivalentes, pudiéndose usar para todo tipo de aplicaciones

Inconvenientes de estos procesadores

• Podemos encontrar rendimiento variable según el software ejecutado. Es posible que las instrucciones nuevas dependan de una instrucción anterior.
• Actualmente la mayoría de software disponible (sobre todo para ordenadores de sobremesa) se basan en instrucciones complejas
• Estos procesadores necesitan de memoria muy rápida para guardar varias instrucciones, lo cual hace necesaria mucha memoria caché para poder ejecutar las instrucciones en muy poco tiempo

Qué es RISC-V

Es una arquitectura de conjunto de instrucciones estándar abierta (ISA; Instruction Set Architecture) basada en los principios de la arquitectura de conjunto de instrucciones reducidas. RISC-V al establecerse bajo ISA, permite ofrecer licencias de código abierto, eliminando así la necesidad de pagar regalías por usar un diseño. Son ya unas cuantas las compañías que están empezando a desarrollar chips basados en RISC-V

Cuenta con un conjunto de instrucciones diseñadas para una mayor cantidad de usos. El conjunto de instrucciones RISC base tiene una longitud fija natural de 32 bits. La extensión ISA en la que se basa RISC-V, lo que permite son instrucciones de longitud variable las cuales pueden tener hasta 16 bits de longitud.

Tiene su origen en 2010, en la Universidad de Berkeley, en California. Actualmente el proyecto cuenta con una gran cantidad de colaboradores que no están ligados a la universidad. Se diferencia de otros diseños desarrollados por centros educativos, en que RISC-V se desarrolló para tener una usabilidad práctica.

Desde junio de 2019, la ISA en su versión 2.2 de espacio de usuario y la ISA en su versión 1.11 privilegida están congeladas. Esto lo que permite es que pueda continuar el desarrollo de software y hardware.

Características de RISC-V

Esta nueva arquitectura de procesadores comparten muchas características básicas con la arquitectura RISC. Aunque hay algunas diferencias:

• Es una arquitectura de código abierto que puede ser usada por cualquiera y por la que no pagaremos regalías por su uso
• Se añade simplicidad al ser una versión ISA comercial más sencilla que otras variaciones
• Tiene una ISA de tipo estándar reducido con múltiples extensiones estándares
• La base y las primeras extensiones estandarizadas se han congelado. No existe la preocupación por actualizaciones importantes en la arquitectura
• Permite agregar funciones específicas según las extensiones. Actualmente se están desarrollando muchas extensiones

Problemas de RISC-V

• Al ser una arquitectura de código abierto, cada vez existían más empresas que construyan procesadores basándose en RISC-V. Esto obliga a la RISC-V Foundation a garantizar que solo existe un estándar
• Es un desarrollo bastante nuevo, así que el ecosistema aún está en una fase muy inicial. Se requiere de tiempo para desarrollar un chip funcional
• Podemos encontrar muchos SoC RISC-V funcionando bien para determinadas aplicaciones. Lo cierto es que aún queda mucho que hacer para optimizar y ampliar la usabilidad real de estos chips

Usos de la arquitectura RISC

Sistemas móviles y de gama baja

• La arquitectura ARM domina el mercado de los sistemas integrados de bajo consumo y bajo coste (normalmente de 200 a 1800 MHz en 2014). Se utiliza en varios sistemas, como la mayoría de los sistemas basados ​​en Android, el iPhone y iPad de Apple, Microsoft Windows Phone (antes Windows Mobile ), dispositivos RIM, Nintendo Game Boy Advance, DS, 3DS y Switch, Raspberry Pi, etc.
• El PowerPC de IBM se utilizó en las consolas de juegos GameCube, Wii, PlayStation 3, Xbox 360 y Wii U.
• La línea MIPS (en un punto utilizada en muchas computadoras SGI ) se usó en PlayStation, PlayStation 2, Nintendo 64, consolas de juegos PlayStation Portable y gatways residenciales como la serie Linksys WRT54G .
• Hitachi ‘s SuperH, originalmente en amplio uso en la Sega Super 32X, Saturn y Dreamcast, ahora desarrollado y vendido por Renesas como el SH4 .
• Atmel AVR se utiliza en una variedad de productos que van desde controladores de mano Xbox y la plataforma de microcontroladores de código abierto Arduino hasta automóviles BMW
• RISC-V, el quinto Berkeley RISC ISA de código abierto, con espacios de direcciones de 32 o 64 bits, un conjunto de instrucciones de número entero pequeño y un ISA experimental «comprimido» para densidad de código y diseñado para extensiones estándar y de propósito especial.

Ordenadores de sobremesa y portátiles 

• La arquitectura PowerPC de IBM se utilizó en las computadoras Macintosh de Apple desde 1994, cuando comenzaron un cambio de los procesadores de la familia Motorola 68000 , a 2005, cuando hicieron la transición a los procesadores Intel x86.
• Algunos Chromebook utilizan plataformas basadas en ARM desde 2012.
• Apple usa procesadores Apple Silicon de diseño propio basados ​​en la arquitectura ARM para su línea de computadoras de escritorio y portátiles desde su transición de los procesadores Intel, y las primeras computadoras de este tipo se lanzaron en noviembre de 2020.

Estaciones de trabajo, servidores y supercomputadoras

• MIPS, de Silicon Graphics (dejó de fabricar sistemas basados ​​en MIPS en 2006).
• SPARC , de Oracle (anteriormente Sun Microsystems ) y Fujitsu.
• IBM ‘s IBM POWER arquitectura del conjunto de instrucciones, PowerPC, y la ISA de energía fueron y son utilizados en muchos de los superordenadores de IBM, servidores de gama media y estaciones de trabajo.
• Hewlett-Packard ‘s PA-RISC , también conocida como HP-PA (descontinuado a finales de 2008).
• Alpha, utilizado en computadoras de placa única, estaciones de trabajo, servidores y supercomputadoras de Digital Equipment Corporation, luego Compaq y finalmente HP (descontinuado a partir de 2007).
• RISC-V , el quinto Berkeley RISC ISA de código abierto, con espacios de direcciones de 64 o 128 bits, y el núcleo entero extendido con punto flotante, procesamiento atómico y vectorial , y diseñado para ampliarse con instrucciones para redes, E / S, y procesamiento de datos. Un diseño superescalar de 64 bits, «Rocket», está disponible para descargar. Está implementado en el procesador European Processor Initiative.

Palabras finales sobre RISC

Este tipo de diseño de procesadores se ha visto potenciado gracias a la llegada de los smartphones y las tablets. Pero están presentes en muchos otros mercados, como son automoción, pequeños electrodomésticos, robótica, IoT y etc., y ahora están empezando a llegar para servidores, placas embebidas como la Raspberry Pi y ordenadores portátiles y de sobremesa, entre otros.

Te recomendamos los mejores procesadores del mercado

Fruto de la expansión de las arquitectura RISC y RISC-V se están dando movimientos interesantes dentro de la industria. Eso incluye la creciente competencia entre RISC-V vs ARM, dos arquitecturas de tipo RISC llamadas a dominar el mercado. Intel parece estar interesada en adquirir SiFive, un fabricante de procesadores RISC-V bastante interesante. AMD ha adquirido Xilinx, una empresa que se dedica a la fabricación de FPGA y también de algunas soluciones basadas en RISC.