„Hlavní motivace pro naše projekty je, že už desetiletí učíme architektury počítačů. Tím pádem se snažíme ukázat ten základní nejjednodušší princip, proč je procesor vlastně schopný provést instrukci, program,“ uvedl dr. Píša.
Vývoj současné otevřené architektury RISC-V sahá do 80. let 20. století, kdy vědci na univerzitách ve Stanfordu a Berkeley, mimo jiné prof. David Patterson se svým týmem, k tomuto účelu navrhli koncept pro růst výkonu jader procesorů nazvaný RISC. Podoba systému se lišila od tehdejšího nevýhodného trendu komplikovat už tak složité procesory. „Koncept RISC postupně ve ‘spodní vrstvě´ převzaly všechny ostatní firmy,“ poznamenal dr. Píša s tím, že z něj pak vznikly velmi úspěšné architektury MIPS a SPARC využívané v oblasti internetu, filmové animace, 3D grafiky a dalších technologií. Právě komerční využití navazujících procesorů a to, že na ně firmy vlastnily práva, však vedlo k tomu, že původní tvůrci RISC sice mohli na své architektuře provádět výzkum, ale nešlo jej zpeněžit ani navázat spolupráci s nezávislými firmami, které by jejich RISC užívaly. Koncept také zestárl a podle dr. Píši tudíž nastala poptávka po nové generaci, nezatížené omezeními té předchozí.
Na návrhu nové architektury RISC-V začal mezi lety 2005 až 2008 pracovat Krste Asanovic, Pattersonův student a nynější profesor na univerzitě v Berkeley. „Pro rozvoj projektu založil firmu SiFive, od které dnes nakupuje i Intel,” poznamenal dr. Píša. Upozornil, že také RISC-V vychází z předpokladu, že je výhodné spojit síly na návrh obecnějšího základu, a na něm provádět optimalizace, přizpůsobení a rozšíření pro rozdílné cílové využití, než vyvíjet pro každou oblast procesor „od nuly”. „Kromě návrhu architektury pro výuku a vědecký výzkum, umožňuje RISC-V tvorbu i aplikačně specifických architektur (Domain Specific Architectures) zefektivnit, usnadnit a neplýtvat energií ani penězi,“ vysvětlil expert. V souvislosti s tím dr. Píša zdůraznil, že je tudíž zásadní, aby se studenti a studentky naučili RISC-V dobře ovládat.
Bylo ale třeba i to, aby RISC-V nemohla blokovat přes výhradní práva a patenty některá firma. „Kvůli tomu, aby byly spolupráce a vývoj dopředu zajištěné, má projekt RISC-V speciální, i když jinak velmi volné podmínky. Standardizace a vývoj v současnosti probíhají v rámci společnosti RISC-V International založené ve Švýcarsku. Ta zaručuje nezávislost a její pravidla jsou zároveň taková, že ten, kdo chce přispívat do specifikace a vývoje, se musí zavázat, že to, co v pracovních skupinách navrhne a čím do architektury přispěje, nikdy nebude blokovat patentem a dalšími omezeními,“ popsal dr. Píša, který podle svých slov o členství ČVUT v RISC-V International stál velmi dlouho. „Dává nám přístup do těchto expertních skupin, kde můžeme sdílet naše výukové materiály, nápady a zároveň se o naší univerzitě dozvídají špičkoví vědci a odborníci z oblasti IT,“ vyzdvihl expert některé výhody.
Odborníci z ČVUT se tak podle Pavla Píši hned po vstupu do organizace zapojili do skupiny zaměřené na výuku a spolupráci s vědeckou veřejností (Academic and Training Special Interest Group). Organizace také přidala na svůj web odkazy na přednášky, materiály a výukové programy z FEL ČVUT. „Zapojili jsme se také do skupiny SIG Automotive, kde můžeme nabídnou 30 let zkušeností s příslušnými komunikačními sběrnicemi, nasazením a sestavením systému GNU/Linux pro řízení v reálném čase. Byl již přijat i můj návrh přidat do skupiny uvažovaných operačních systémů RTEMS, který je používaný pro vesmírné mise ESA a NASA a NuttX, jenž je zatím využíván pro autopiloty dronů či sluchátka. Se studenty přispíváme mimo jiné i do jader všech těchto jmenovaných operačních systémů,“ pokračoval dr. Píša. „Například pro čipy ESP32C3 s architekturou RISC-V jsme do hlavního stromu systému NuttX přidali ovladač periferie pro přístup na automobilovou sběrnici,“ dodal expert.
Na náš výukový simulátor navržený studentem odkazují světové univerzity
V mezinárodní odborné komunitě podle dr. Píši nachází uplatnění i výukový simulátor, který vyvíjí se svými studenty z FEL ČVUT. Zavzpomínal, že vše začalo diplomovou prací někdejšího studenta Karla Kočího, který v roce 2018 simulátor navrhl. „Simulátor QtMips byl poprvé ve výuce využit o rok později. V roce 2020, v době vynucené distanční výuky, pak sloužil naplno, a to i ve webovém prohlížeči,“ uvedl dr. Píša. „Jednalo se však o verzi založenou na architektuře MIPS, která sice byla u zrodu 3D grafiky (SGI, OpenGL) a sloužila dekády jako nejvhodnější výukový model, ale nyní již zastarává a její využití je komplikované patenty a nejasným vlastnictvím,“ objasnil odborník.
Později se však přihlásili další studenti FELu, kteří chtěli projekt rozvíjet – Jakub Dupák a Max Hollmann. „Jakub Dupák na vývoji dál pod mým vedením pokračuje, a i já do tohoto projektu přispívám. Do výuky jsme simulátor QtRvSim nasadili v letním semestru 2022. V tuto chvíli tedy učíme na architektuře RISC-V,“ konstatoval dr. Píša.
A simulátor už má za sebou také několik zahraničních prezentací. Dr. Píša popsal, že ho Jakub Dupák představil loni na Embedded World Conference 2022 v sekci, kterou otevírala Calista Redmond, prezidentka RISC-V international. Byl uveden i v rámci pracovní skupiny RISC-V projektu. Naživo ho zástupci FELu prezentovali také počátkem letošního února na konferenci FOSDEM 2023 na Svobodné univerzitě v Bruselu. Dr. Píša podotkl, že kromě dobrého renomé je taková akce pro student(k)y i velkou příležitostí k navazování kontaktů a vstupu do „velkého světa“ IT. „Jakub Dupák se díky kontaktům a prokázání své odbornosti na loňské konferenci zapojil do vývoje překladače nyní velmi sledovaného programovacího jazyka RUST a letos se na konferenci FOSDEM setkal s vývojáři a vývojářkami z příslušné skupiny kolem projektu GNU překladačů naživo,“ popsal dr. Píša.
K budoucím plánům pak expert uvedl, že architektura RISC-V se již stala standardem v kurzech architektur počítačů na předních světových univerzitách a simulátor QtRvSim nabízí vhodnou pomůckou pro výuku. „Na naše materiály a simulátory již odkazují vyučující například na University of Colorado v Colorado Springs, University of Porto, University of Montréal, State University of Campinas nebo Graz University of Technology,” uvedl dr. Píša. Starší MIPS verzi podle něj používají i na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy a pro své potřeby si ji rozšířili také na National and Kapodistrian University of Athens. „Velmi by nás potěšilo, pokud by se náš simulátor stal standardní pomůckou pro výuku architektur procesorů celosvětově, do vývoje se zapojili další studenti, studentky a odborníci a začaly se na něj odkazovat i prestižní světové učebnice,“ dodal dr. Píša. Zapojení ČVUT do organizace RISC-V International pak podle jeho slov nabízí také velké možnosti přístupu k projektům předních univerzit a odborníků i firem v IT světě. „Zajímavá je i nabídka rozvojových a často i zajímavě placených projektů a stáží pro studenty a studentky,“ uzavřel expert.
Jakub Dupák s Nandni Jamnadas, kolegyní z projektu Embecosm, na FOSDEM 23, kde přednášeli své příspěvky.
