ค้นหาบทความที่นี่

บทความทั้งหมด

ว่าด้วย Computer Architecture

3 ปีที่ผ่านมา

โดย เจ้าของร้าน

Publish : 11 March 2022

หัวข้อในบทความนี้
- สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์
- CISC
- RISC
- RISC-V
- สรุปเพื่อไม่ให้งง RISC-arm-x86 อะไรกันแน่?
- ทำไมผู้ผลิตถึงเริ่มใช้ RISC-V

ปัจจุบันนี้บอร์ดพัฒนาที่ออกมาใหม่ รวมถึงอุปกรณ์ต่าง ๆ เริ่มใช้ชิปหลักที่เป็น RISC-V กันแพร่หลายมากขึ้น จริง ๆ แล้ว RISC-V คืออะไร ต่างจาก ARM กับ x86 หรือไม่ ผู้เขียนได้ไปสืบค้นมาให้แล้ว มาพูดถึงกันในวันนี้เลยครับ
เชื่อว่าทุกคนคงคุ้นเคยกับ Arduino กัน ซึ่ง Arduino ตัวพื้นฐานอย่าง UNO จะใช้ชิป ATmega328P ซึ่งเป็น Microcontroller แล้ว RISC-V กับ ARM หล่ะ? แน่นอนครับว่าทั้งสองอย่างนี้ก็เป็นไมโครคอนโทรลเลอร์เช่นเดียวกับตัว ATmega ที่เราใช้กัน แต่จะแตกต่างกันที่ "สถาปัตยกรรม" ในการสร้างตัวชิปขึ้นมา ยกตัวอย่างให้เห็นง่าย ๆ ก็เหมือนรถยนต์ รถสามารถพาเราไปสู่จุดหมายได้เหมือนกันทั้งมอเตอร์ไซค์ รถกระบะ รถเก๋ง รถบรรทุก แต่มีรูปร่างและการผลิตที่แต่กต่างกันนั่นเอง คงประมาณนี้นะครับ จะมีก็แต่ x86 ที่ต่างกับพวกนิดคือเป็นไมโครโปรเซสเซอร์ (Microprocessor)

สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์
สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ คือ ทฤษฏีที่ใช้ในการออกแบบคอมพิวเตอร์ ซึ่งจะรวมทั้งการออกแบบระบบประมวลผลกลาง การออกแบบชุดคำสั่งของเครื่อง และการออกแบบทางเทคนิคที่เกี่ยวข้องอื่น ๆ แบ่งเป็นประเภทได้ตามนี้
SISD - Single Instruction Single Data stream
MISD - Multiple Instruction Single Data stream
SIMD - Single Instruction Multiple Data stream
MIMD - Multiple Instruction Multiple Data stream
RISC - Reduced Instruction- Set Computing
CISC - Complex Instruction-Set Computing
SMP - Symmetric MultiProcessing
ในบทความนี้จะพูดถึง CISC และ RISC ที่เราคุ้นเคยกันบ่อย ๆ เท่านั้นครับ ไม่งั้นบทความจะยาวเกินไปมาก ๆ เลย

Complex Instruction-Set Computing : CISC
เป็นสถาปัตยกรรมที่ใช้คำสั่งที่ซับซ้อน มีรูปแบบสั้นยาวแตกต่างกัน มีคำสั่งให้ใช้งานมากมาย ใช้ Microcode ในการทำงานของคำสั่ง ทำให้เขียนโปรแกรมได้ง่าย ตัวโปรแกรมมีขนาดเล็ก และยังคงความเข้ากันได้กับโปรเซสเซอร์รุ่นเก่า ทำให้ไม่ต้องเขียนโปรแกรมขึ้นใหม่เมื่อมีอุปกรณ์ใหม่เพิ่มเข้ามา (ภาพล่าง ไมโครโปรเซสเซอร์ intel 8086 / ที่มา : Wikipedia)

สำหรับตัวอย่างโปรเซสเซอร์ที่ใช้สถาปัตยกรรม CISC นั่นคือ โปรเซสเซอร์ตระกูล x86 ซึ่งพัฒนาโดย intel ออกใช้งานครั้งแรกเมื่อปี ค.ศ.1978 ซึ่งมีการออกชิป 8086 และ 8088 และมีการนำไปใช้ในคอมพิวเตอร์ เช่น IBM PX XT
และตระกูล x86 ได้มีการพัฒนามาจนถึงปัจจุบัน ซึ่ง CPU ในคอมพิวเตอร์ต่าง ๆ ที่เราคุ้นเคยก็ยังอยู่ในตระกูล x86-64(เป็น x86 ที่มีการปรับปรุงเป็น 64-bit register)
ส่วนของ intel ทั้ง 80xx, Pentium, Celeron, Xeon, Atom รวมถึง Core ต่าง ๆ (ล่าสุดคือ Intel Alder Lake : Core i 12th generation ที่เพิ่งเปิดตัวไม่นานนี้ด้วย)
ส่วนของ AMD ทั้ง Althon, Ryzen, Epyc, Bristol Ridge
ส่วนของผู้ผลิตอื่น ๆ เช่น Zhaoxin WuDaoKou ที่เป็นเจ้าใหม่ที่ลงมาแข่งขันในตลาด x86
ทั้งหมดที่กล่าวมานี้ล้วนเป็นโปรเซสเซอร์ตระกูล x86 ที่อยู่บนสถาปัตยกรรม CISC ทั้งสิ้น

Reduced Instruction- Set Computing : RISC
เป็นโปรเซสเซอร์ที่มีรูปแบบคำสั่ง และขนาดของคำสั่งที่แน่นอน สามารถประมวลผลได้ภายใน 1 สัญญาณนาฬิกา เน้นการใช้คำสั่งง่าย ๆ ตายตัว (โดยทั่วไปจะมีไม่เกิน 128 คำสั่ง) จึงทำให้สมารถทำงานได้อย่างรวดเร็ว อีกทั้งการผลิตชิปแบบ RISC นี้จะมีการใช้ทรานซิสเตอร์น้อยกว่า จึงผลิตได้ง่ายและมีราคาถูกกว่า CISC อีกทั้งยังเป็นสถาปัตยกรรมที่กำลังได้รับความนิยมมากขึ้นและยังคงมีแนวโน้มเติบโตในอนาคต

ตัวอย่างโปรเซสเซอร์ที่ใช้สถาปัตยกรรม RISC คือ ตระกูล arm หรือไมโครคอนโทรลเลอร์ที่เราคุ้นเคยกันดีอย่างตระกูล AVR, ตระกูล PIC แม้แต่ชิป Apple M1, Apple M2, Apple A ต่าง ๆ ก็ใช้พื้นฐานของ arm ก็เป็น RISC เช่นเดียวกัน

RISC-V
(อ่านว่า ริสก์-ไฟว์ : RISC-five) เป็นโปรเซสเซอร์ที่อยู่บนพื้นฐานของ RISC แต่แตกต่างกันที่ RISC-V นี่จะเป็นชุดคำสั่งที่เป็น Open-Source สามารถนำไปใช้งานกันได้แบบอิสระ

ปัจจุบันผู้ผลิตเริ่มใช้ RISC-V มากขึ้น ตัวอย่างผู้ผลิตที่ใช้ RISC-V คือ Allwinner ผู้ผลิตชิปสำหรับแท็ปเล็ตรายใหญ่ หรือเจ้าที่เราคุ้นเคยอย่าง Espressif ก็นำ RISC-V มาใช้ใน ESP32-S2 และ ESP32-C3 รวมถึง Google ก็นำ RISC-V มาพัฒนาโมดูล Titan M2 เพื่อใช้ในโทรศัพท์ Pixel 6 ด้วย

สรุปเพื่อไม่ให้งง RISC-arm-x86 อะไรกันแน่?
หลังจากที่อ่านกันไป 3 ตัว ทุกคนอาจจะเริ่มงงกันแล้วใช่มั๊ยครับ (ที่จริงแล้วก็ไม่รู้ว่าจะเรียงข้อมูลยังไงเหมือนกัน) เรามาสรุปกันก่อนดีกว่า 3 ข้อ นะครับ
- CISC, RISC เป็นประเภทของสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ในด้านโครงสร้าง
- แต่การจะทำงานได้ต้องมีส่วนของ "ชุดคำสั่งของเครื่อง" ซึ่งก็มีหลากหลายตระกูล เช่น x86, arm, AVR, PIC เป็นต้น
- RISC-V อยู่บนพื้นฐานของ RISC แต่เป็น Open Source
คิดว่าน่าจะอ๋อกันบ้างไม่มากก็น้อยนะครับ

ทำไมผู้ผลิตถึงเริ่มใช้ RISC-V
คำตอบของคำถามนี้ก็ง่าย ๆ จากที่กล่าวไปเลยครับ เนื่องจาก RISC-V นั้นเป็น Open Source เปิดให้ใช้งานได้ฟรี ไม่มีใครเป็นเจ้าของสิทธิบัตร จึงทำให้ใครก็สามารถหยิบไปใช้งานได้นั่นเอง
ส่วนหลัก ๆ ในมุมของผู้ผลิตก็คือ "ต้นทุน" เพราะการผลิตนั้นใครก็ออกแบบชิปได้ ซึ่งมันก็คือทรานซิสเตอร์มาเรียงต่อกัน ตรงนี้ก็คือความรู้พื้นฐานที่ผู้ผลิตชิปย่อมมีองค์ความรู้อยู่แล้ว ทฤษฏีพวกนี้ก็แทบไม่เปลี่ยนแปลงมานานแล้ว แต่การจะให้มันทำงานได้ต้องมีชุดคำสั่งใส่เข้าไป(เหมือนเรามีคอมพิวเตอร์ ก็ต้องลงระบบปฏิบัติการเพื่อให้ใช้งานได้) ซึ่งชุดคำสั่งพวกนี้แหละคือปัญหา เนื่องจากการพัฒนาตั้งแต่ศูนย์เพื่อให้มีเป็นของตัวเองนั้นใช้ต้นทุนสูงมาก ต้องจ้างวิศวกรซอฟแวร์มากมาย ใช้เวลาพัฒนาและปรับแต่งอีกนานมาก ทำให้สิ้นเปลืองเงินทุนนั่นเอง
หากสมมติว่าเราผลิตชิป RISC ได้ ทางลัดในการหาชุดคำสั่งคือการซื้อชุดคำสั่งเหล่านี้มาใช้งาน เช่น เราไปซื้อลิขสิทธิ์ของ arm Cortex-M4 มาใส่ในชิปของเรา เราก็จะมีชิปของยี่ห้อเราที่เป็นตระกูล arm ออกขาย ก็จะตัดต้นทุนในการพัฒนา แต่เจ้า arm Cortex-M4 ที่เราซื้อมามันก็เป็นลิขสิทธิ์ของ arm อยู่ดี บางอย่างก็ไม่ถูกใจเรา บางอย่างก็เกินความจำเป็น อีกทั้งแม้จะไม่ต้องจ่ายเพื่อพัฒนาชุดคำสั่ง แต่ก็ยังต้องจ่ายค่าลิขสิทธิ์และค่าส่วนแบ่งในชิปแต่ละตัวที่ขายได้ ก็ยังคงเป็นต้นทุนที่ต้องจ่ายอยู่ดีแม้ว่าจะน้อยกว่าสร้างขึ้นเองก็ตาม
การมาของ RISC-V จึงเป็นการแก้โจทย์นี้อย่างชัดเจนที่สุด ซึ่งตัวมันเป็น Open Source สามารถหยิบมาใช้งานได้อย่างฟรี ๆ มีโค้ดต่าง ๆ ให้ทุกคนดาวน์โหลดมาใช้งาน และสามารถแก้ไขตามที่ตัวเองชอบได้เลย

สำหรับบทความนี้คงเข้าใจเรื่องสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ และ RISC-V ที่เริ่มมาในช่วงนี้ ใครอยากศึกษาเพิ่มเติมก็สามารถเข้าไปดูได้ที่ https://riscv.org/ กันได้นะครับ วันนี้ลาไปก่อน สวัสดีครับ

อ้างอิง :
What is RISC-V and Why is it Important?
RISC-V vs. ARM vs. x86 – What’s the difference?
x86
RISC-V
RISC vs CISC

Computer architecture

Reduced instruction set computer
What Is RISC?
ความเข้าใจเกี่ยวกับสถาปัตยกรรม RISC และ CISC
สถาปัตยกรรมซีพียู

(ทั้งหมดสืบค้นเมื่อ 6 March 2022)