ARM versus RISC-V: ¿Quién ganará esta guerra de procesadores?

La industria emergente de Internet de las cosas (IoT) es una colección de productos y servicios complementarios que permiten la eficiencia y la optimización de costos en múltiples industrias. Aunque no tiene una cadena de valor orientada verticalmente, abarca múltiples industrias y mercados, como la automatización industrial, la automoción, la medicina, la monitorización medioambiental, etc., y los casos de uso en estas industrias también son muy diversos. Al principio de la aplicación se encuentran los nodos finales o sensores, que monitorean las condiciones ambientales y pasan los datos a lo largo de la cadena. Estos nodos finales estarán dispersos en varias industrias. La arquitectura de los procesadores diseñados es básicamente exclusiva del mercado principal, como Arm, y RISC-V tiene una participación muy pequeña. Por lo tanto, en circunstancias normales, el mercado rara vez analiza la descripción general de los campos relacionados. Sin embargo, a medida que el incidente de Huawei continúa propagándose, la guerra comercial entre China y Estados Unidos y los cambios importantes en el entorno internacional global han comenzado, la industria tecnológica ha comenzado a reexaminar la relación entre los dos.

El auge de los procesadores personalizados

Recuerdo la discusión de hace mucho tiempo: en la futura guerra de procesadores, los procesadores COTS (comerciales disponibles o tecnológicos) no son adecuados para construir estos nodos finales porque este último es específico de la aplicación. Las empresas generalmente prefieren procesadores personalizados porque brindan la flexibilidad de ensamblar solo las piezas necesarias. Estos componentes incluyen sensores analógicos, DSP o IP propietaria, etc. Además, los procesadores personalizados pueden reducir significativamente el costo de la lista de materiales y el tamaño del chip, minimizando así el consumo de energía. También ayuda a la empresa a diferenciar sus productos de los de sus competidores. En general, el bajo costo de entrada y la ubicuidad de la industria de IoT alentarán a muchas nuevas empresas y pequeñas empresas a crear productos para aplicaciones poco conocidas. Además, al personalizar los procesadores, estas empresas pueden optimizar aún más los costos.

La Ley de Moore equivocada

Además del enorme impulso que la proliferación de dispositivos IoT puede suponer para los procesadores personalizados, otro factor que influye es la cuestionable existencia de la Ley de Moore. Durante más de cincuenta años, la Ley de Moore ha sido una profecía autocumplida. Independientemente de que el mercado exija o no procesadores de alto rendimiento, las empresas de semiconductores están trabajando arduamente para que esto sea una realidad. Por lo tanto, siempre habrá innovadores y primeros usuarios deseosos de utilizar productos basados ​​en nodos de proceso líderes. Sin embargo, hará falta tiempo para que el mercado masivo se alinee con estos nuevos productos. La Ley de Moore garantiza que la tecnología tome la delantera con alto rendimiento, bajo consumo de energía y costos reducidos.

Sin embargo, el equilibrio económico que garantiza esta ley está fallando actualmente. El diseño de los nodos de proceso principales se ha vuelto complicado y el tiempo de entrega para la comercialización es muy largo, por lo que no se puede establecer el equilibrio de costos. La búsqueda de la optimización de costos obliga a la industria a buscar alternativas, ya que la reducción de los nodos ya no tiene sentido económico. De hecho, los procesadores personalizados son la respuesta, ya que pueden reducir significativamente los costos de la lista de materiales. Miles de millones de puntos finales no requieren un nodo de proceso líder; un procesador personalizado en un nodo maduro es suficiente.

Las contramedidas de ARM

ARM es el monopolio en el mercado de procesadores para teléfonos inteligentes. Actualmente no existe una arquitectura dominante en el espacio integrado y de IoT, y ARM está bien posicionado para llenar este vacío, ya que cuenta con CPU e IP potentes que ofrecen una variedad de características, rendimiento y opciones de precio. Con su modelo de negocio de licencia único, especialmente la licencia DesignStart en Cortex-M0, ARM permite diseños de procesadores personalizados a bajo costo y con menor riesgo. Este programa es útil para nuevas empresas y pequeñas empresas, ya que obtienen acceso a arquitectura e IP comprobadas a bajos costos de licencia, lo que, combinado con un extenso ecosistema de IP, soporte de software y socios de silicio, puede acortar significativamente el tiempo de comercialización del producto.

Entonces, ¿cómo podemos optimizar aún más el coste de los procesadores personalizados?

RISC-V

El software de código abierto (OSS) ha desempeñado un papel vital en la democratización de la industria del software. Uno de los ejemplos más populares de OSS es un sistema operativo Linux. El OSS logra innovación y diferenciación con menores costos de aplicación. Esto permite a las pequeñas empresas y a las nuevas empresas crear productos basados ​​en OSS como Linux. Una gran comunidad de desarrolladores apoya el desarrollo de software, por lo que no hay riesgo de que la tecnología patentada quede obsoleta. Los esfuerzos colectivos de la comunidad aseguran un gran ecosistema al tiempo que benefician a todos los usuarios.

Linux ha ganado una gran influencia en diversas aplicaciones, como integradas, PC, etc. A medida que más usuarios comienzan a usar Linux y se agregan más funciones y utilidades, también se pueden aprovechar los efectos de red.

RISC-V extiende el movimiento de código abierto a CPU ISA. Es una ISA de código abierto, libre de licencia y libre de regalías. Precisamente porque RISC-V no tiene ninguna licencia, ISA se puede utilizar para construir procesadores personalizados sin costo de licencia. RISC-V está estableciendo gradualmente un ecosistema. En la Feria de aplicaciones informáticas industriales y electrónica integrada de 2017, RISC-V demostró su vasto ecosistema a través de soluciones FPGA, IP de seguridad, infraestructura de depuración, etc.

Pocos clientes de ARM han comenzado a utilizar RISC-V para diseñar procesadores personalizados. Ahora, las empresas de diseño de SoC pueden desarrollar procesadores personalizados a costos más bajos sin pagar tarifas de licencia. Con alguna inversión de NRE, estas empresas pueden desarrollar SoC y fabricarlos en fábricas. Por tanto, el precio del procesador también será inferior al basado en ARM IP. A primera vista, un candidato ideal tiene buenas posibilidades de convertirse en la ISA dominante en la industria de IoT. Con procesadores personalizados y cero costos de licencia, RISC-V parece el ganador.

Discusión acerca de que RISC-V es “gratuito”

Linux ha tenido mucho éxito en la implementación de miles de millones de productos. Aunque se necesita un esfuerzo y experiencia considerables para utilizar Linux para productos comerciales, los beneficios superan con creces las horas de trabajo. Linux puede proporcionar muy buena flexibilidad y la enorme comunidad proporciona un buen ecosistema para el sistema operativo y proporciona un amplio soporte para dispositivos periféricos, software de terceros, etc.

Sin embargo, debido a las diferencias fundamentales entre software y hardware, el concepto de código abierto sigue siendo muy diferente del diseño de chips. A diferencia del software, cuyo desarrollo requiere tiempo y esfuerzo, el hardware implica componentes tangibles por los que alguien debe pagar; en segundo lugar, puede reelaborar el software varias veces después de probar el hardware y el emulador. A un costo relativamente pequeño, se puede reducir el tiempo y el esfuerzo. Sin embargo, ¡un error en su hardware también puede costarle un millón de dólares! Múltiples iteraciones del procesador pueden reducir significativamente los costos. En general, el diseño de hardware es más complejo que el desarrollo de software.

Consideremos el caso del RISC-V de código abierto. En un SoC, la IP de la CPU es solo una parte de la ecuación; se requieren muchas otras IP físicas y periféricos. Por lo tanto, se requiere un enorme ecosistema de IP y EDA en torno a la IP de la CPU. Pero solo puede obtener la IP de la CPU sin credenciales de licencia; el ecosistema circundante ha desaparecido. Los proveedores de IP deberían ver un caso de negocio viable para agregar soporte para RISC-V a sus carteras de productos. Suponiendo que exista una comunidad sólida que respalde RISC-V, proporcionará toda la propiedad intelectual y las herramientas necesarias para construir SoC. Pero la pregunta sigue siendo: ¿correrán las empresas que construyen SoC personalizados el riesgo de utilizar una ISA respaldada por la comunidad? Una falla puede resultar en múltiples grabaciones, lo que agregará enormes costos. En general, diseñar un SoC es complejo y requiere buena experiencia en múltiples áreas, como implementación, diseño físico, empaquetado, etc.

Al utilizar ARM ISA, se alivian la mayoría de los problemas mencionados anteriormente. Obtiene acceso a IP comprobada, un ecosistema sólido (software, servicios en la nube, soluciones de seguridad, proveedores de chips, fábricas) y soporte comprometido además del soporte comunitario proporcionado por una ISA de código abierto. Esto reducirá en gran medida la complejidad del diseño, pero aún requerirá un diseño de SoC profesional para construir un procesador personalizado.

¿Quién construirá SoC basados ​​en RISC-V?

La idea del código abierto es disruptiva porque proporciona igualdad de condiciones para que empresas con presupuestos limitados compitan con empresas más grandes. Por muy revolucionario que sea el concepto de una ISA de código abierto, es posible que no tenga un efecto disruptivo en la democratización del diseño de chips.

En mi opinión, es poco probable que las pequeñas empresas y las nuevas empresas busquen alguna aplicación de nicho en el espacio de IoT e inviertan tiempo, esfuerzo y dinero para construir un procesador personalizado basado en una ISA respaldada por la comunidad, porque deben verificar que todo el sistema cumpla con sus especificaciones.

En cambio, utilizar una ISA con licencia es una apuesta segura, ya que obtienen sistemas probados respaldados por un ecosistema sólido. Múltiples cintas de un SoC pueden agregar costos significativos. Una ISA completa tiene algunos costos iniciales y es un buen punto de partida, pero no es una ISA completa y gratuita. El diseño de SoC no es su contenido principal, por lo que contratar un equipo diverso de diseño de chips puede no ser una decisión pragmática. Debido al uso generalizado de ARM en toda la industria, la parte de diseño se puede subcontratar a algunas pequeñas empresas que se especializan en el diseño de SoC basado en ARM. Las herramientas EDA y los costos fabulosos son altos. Los proveedores y fábricas de EDA ya admiten IP basada en ARM; también deberían ver los beneficios económicos de agregar soporte para RISC-V. Hasta que RISC-V alcance una adopción masiva crítica, es una situación del huevo y la gallina. Multihoming aumenta los costos para cualquier empresa, ya sea una fábrica, un proveedor de EDA, una casa de diseño o un desarrollador de aplicaciones. Las operaciones de bajo volumen pueden generar alquileres más altos. Por lo tanto, se deben considerar todos estos costos generales al construir un SoC basado en RISC-V.

Los líderes del mercado en diseño de SoC definitivamente desarrollarán SoC basados ​​en RISC-V, ya que pueden aumentar el poder adquisitivo al reemplazar ARM. Sin embargo, creo que estas empresas no estarían interesadas en trabajar con clientes de bajo volumen que necesitan procesadores personalizados. Debido a sus enormes gastos generales, tiene mucho sentido comercial vender millones de SoC estandarizados.

En resumen, en mi opinión, RISC-V no puede alterar significativamente la estructura del mercado de semiconductores en su estado actual. Una de las ventajas clave del movimiento de código abierto es minimizar las barreras de entrada al proporcionar una base suficientemente buena en comparación con las entidades autorizadas. Aunque RISC-V brindará la flexibilidad de crear SoC personalizados a bajo costo, el ecosistema aún no está listo para adoptarlo. Toda la industria de los semiconductores necesita sincronizarse para que RISC-V tenga éxito.

Conclusión

En este entorno internacional, creo que RISC-V será lo suficientemente inteligente como para prever los problemas anteriores y aprovechar esta oportunidad, y muchos problemas ya se han resuelto internamente. En mi opinión, RISC-V debería centrarse en una parte, como los nodos finales de IoT o algo así, y luego proporcionar una solución completa y convincente para este segmento y el ecosistema general, en lugar de centrarse en todas las industrias integradas y en red de IoT. Una vez que logran una adopción masiva en un segmento, es más fácil extenderlo a otros segmentos porque los nuevos usuarios tienen un buen caso de estudio o una buena historia para elegir.

¿Qué más necesita hacer ARM para ser considerado líder en IoT y embebido? No tengo ninguna respuesta para eso, porque desde una perspectiva externa, ARM luce bastante bien en este momento, con una gran base instalada y una buena trayectoria ascendente en el futuro. Sin embargo, ampliar la licencia DesignStart a otras IP Cortex-M sería una buena opción para futuras aplicaciones. Sin embargo, el núcleo principal debería seguir siendo un ecosistema sólido de soporte para sistemas operativos, servicios en la nube, seguridad, IP, cadenas de herramientas de depuración, EDA, socios de silicio, etc. Todos estos desempeñan un papel vital en la creación de productos personalizados basados ​​en procesadores a bajo costo.

El bajo coste y la personalización suelen ser mutuamente excluyentes. Cualquier ISA que apunte a estos dos fines desempeñará un papel de liderazgo en la industria de IoT. Por supuesto, con el establecimiento de la Fundación RISC-V, muchas empresas e instituciones de investigación se han unido al campo RISC-V para explorar la viabilidad de RISC-V en el futuro. Actualmente participan más de 200 empresas, entre ellas IBM, NXP, Western Digita, Huida, Qualcomm, Samsung, Google, Tesla, Huawei, Alibaba, etc. La guerra tecnológica chino-estadounidense puede ser el catalizador del auge de este modelo. Durante muchos años, mirando hacia atrás, este momento será recordado como un momento significativo en la historia de la ciencia y la tecnología.