Hiện nay, một thiết bị điều khiển trong nhà máy hiện đại thường phải làm nhiều nhiệm vụ cùng lúc khác nhau. Một số nhiệm vụ của thiết bị điều khiển cần thực hiện có thể kể đến như chạy hệ điều hành công nghiệp, giao tiếp với hệ thống giám sát, xử lý dữ liệu cảm biến hay phản hồi các tín hiệu điều khiển trong thời gian xác định. Không chỉ vậy, bộ xử lý còn phải phân tích dữ liệu ngay tại chỗ để phát hiện bất thường, dự đoán lỗi hay tối ưu hoạt động của máy móc khi trí tuệ nhân tạo (AI) được đưa xuống gần các thiết bị sản xuất. Chính những yêu cầu này đã tạo ra một bài toán thiết kế phức tạp hơn, khi họ đòi hỏi các ứng dụng lớn có thể chạy trên hệ thống phần mềm phức tạp có thể được quản lý thông qua một bộ xử lý hiệu năng cao. Tuy nhiên, điều này lại không được xem là một lựa chọn tối ưu đối với các tác vụ nhỏ cần hoạt động liên tục, tiêu thụ ít năng lượng và có khả năng phản hồi ổn định. Chính vì vậy, đối với các nhiệm vụ điều khiển chuyên biệt nhưng gặp ít hạn chế khi phải chạy hệ điều hành, thường phù hợp với bộ xử lý vi điều khiển đơn giản. 

Trong ngành bán dẫn hiện nay, việc kết hợp hai kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architecture hay ISA) trên cùng một chip đang được xem là một hướng tiếp cận rất được quan tâm. Tại đây, các nhà thiết kế có thể phân chia công việc giữa một hệ thống xử lý ứng dụng và các lõi chuyên dụng cho điều khiển, giám sát hoặc xử lý thời gian thực thay vì yêu cầu một loại lõi xử lý đảm nhận mọi nhiệm vụ. Đặc biệt, các kỹ sư cần nắm rõ rằng ARM và RISC-V không phải là hai bộ xử lý có thể tự động thay thế lẫn nhau, bởi chúng là hai kiến trúc tập lệnh khác nhau, với sự riêng biệt về hệ sinh thái phần mềm, công cụ phát triển và cách triển khai riêng. Chính vậy, điều này đòi hỏi việc thiết kế phần cứng và phần mềm cần phải phù hợp để kết hợp chúng trên cùng một tập chip. Mô hình này cũng có thể mang lại sự linh hoạt đáng kể cho các hệ thống công nghiệp ở biên mạng nếu chúng được tổ chức tốt.

Hai phương pháp tiếp cận của ARM và RISC-V

Đối với các hệ thống nhúng, thiết bị di động và máy tính công nghiệp, ARM đã trở thành một nền tảng rất quen thuộc. Một số mức hiệu năng mà các bộ xử lý dựa trên ARM có thể đảm nhận có thể kể đến như việc điều khiển công suất thấp hay các bộ xử lý ứng dụng chạy hệ điều hành phức tạp. Hiện nay, ARM đã trở thành lựa chọn thực tế cho nhiều sản phẩm thương mại nhờ các đặc điểm như hệ sinh thái phần mềm phong phú và các công cụ phát triển đào tạo sự hỗ trợ rộng rãi của nhà cung cấp

Đối với RISC-V, nó lại tiếp cận vấn đề theo một hướng khác vì đây là một kiến trúc tập lệnh mở và được phát triển theo một tiêu chuẩn chung. Ngoài ra, cấu trúc RISC-V còn có thể được sử dụng để thiết kế các bộ xử lý theo nhu cầu cụ thể. Kiến trúc RISC-V cho phép nhà thiết kế lựa chọn những chức năng phù hợp với ứng dụng nhờ chúng có cấu trúc mô-đun, các tập lệnh cơ sở và các phần mở rộng tiêu chuẩn. Chính các đặc điểm này giúp các doanh nghiệp giảm sự phụ thuộc vào một kiến trúc độc quyền thông qua việc phát triển phần cứng chuyên biệt. Tuy nhiên, chi phí thiết kế chip thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, một số yếu tố có thể kể đến như quy trình án dẫn, loại IP được sử dụng, phần mềm, công cụ kiểm thử hay quy mô sản xuất. Không chỉ vậy, cách triển khai vi kiến trúc cũng ảnh hưởng đến hiệu năng bên cạnh ISA. Chính vậy, việc kết hợp giữa Arm và RISC-V nhằm sử dụng các thế mạnh của từng loại lõi cho những nhiệm vụ khác nhau trong cùng một hệ thống.

Động lực để phát triển hai trúc trên cùng một chip

Thông thường, một hệ thống công nghiệp điển hình thường được chia thành hai nhóm nhiệm vụ khác nhau. Trong khi nhóm thứ nhất thường bao gồm các công việc ở cấp hệ thống như chạy Linux, giao tiếp Ethernet, quản lý dữ liệu, cung cấp giao diện người dùng hay kết nối với nền tảng đám mây. Đối với nhóm thứ hai, nhóm này thường bao gồm các tác vụ điều khiển chuyên biệt như đọc tín hiệu cảm biến theo chu kỳ, quản lý trạng thái thiết bị hoặc giám sát các điều kiện an toàn.

Kiến trúc hai lõi trong một hệ thống edge công nghiệp

Với phân tích trên, một bộ điều khiển công nghiệp có khả năng thu thập dữ liệu từ cảm biến rung, cảm biến nhiệt độ và các thiết bị đo điện. Trong đó, một lõi ARM có thể chạy hệ điều hành Linux cho nhiều mục đích khác nhau như xử lý giao tiếp mạng, lưu trữ dữ liệu, hiển thị thông tin vận hành và gửi dữ liệu đến quản lý của nhà máy. Không chỉ vậy, một lõi RISC-V cũng có thể thực hiện được nhiều tác vụ nhúng được thiết kế riêng, cụ thể như lấy mẫu tín hiệu theo chu kỳ, kiểm tra ngưỡng và thực hiện một thuật toán tiền xử lý.Trong đó, một lõi RISC-V có thể thực hiện các bước kiểm tra ban đầu và gửi kết quả cho lõi ARM khi cảm biến phát hiện rung động bất thường.

Chính vì vậy, hệ thống đã có sự phân tách giữa xử lý gần phần cứng và xử lý ở cấp ứng dụng được tạo ra từ cấu trúc này. Hệ thống có thể giao cho miền xử lý riêng đối với những nhiệm vụ cần thực hiện thường xuyên, trong khi các công việc cần hệ sinh thái phần mềm lớn sẽ được duy trì trên ARM.

Những thách thức khi kết hợp ARM và RISC-V

Hiện nay, việc kết hợp giữa ARM và RISC-V đã đặt ra nhiều thách thức khác nhau, một số thách thức chính có thể kể đến như khả năng phối hợp giữa hai miền xử lý, khả năng quản lý bộ nhớ và bảo mật, hay chi phí tích hợp. Đối với khả năng phối hợp, ARM và RISC-V thường sử dụng các tập lệnh khác nhau, chính vì vậy, khi một chương trình được biên dịch cho một kiến trúc này thì không thể tự động chạy trực tiếp trên kiến trúc kia. Chính vì vậy, trong tương lai sắp tới, các kỹ sư cần hiểu rất rõ để phân biệt được các nhiệm vụ sẽ được thực hiện trên ARM hay RISC-V.