開源硬件能否與 Linux 的成功相匹敵

今年是 Linux 內(nèi)核發(fā)布 30周年。作為開源軟件運動的基礎(chǔ)，開源代碼催生了數(shù)百個使用免費、公共 Linux 發(fā)行版的項目。結(jié)果是一長串強大、穩(wěn)定和靈活的產(chǎn)品。

鑒于其成功，是否可以將相同的方法應(yīng)用于支持開源硬件的采用？像 RISC-V 這樣的指令集架構(gòu) (ISA) 能否像 Linux 內(nèi)核作為開源軟件的基礎(chǔ)一樣為開源硬件的普及奠定基礎(chǔ)？

答案是肯定的和否定的。

目前的架構(gòu)，RISC-V 是開放的，可作為標準使用，允許圍繞它構(gòu)建產(chǎn)品的自由、靈活性和速度。但另一方面是硬件更復(fù)雜，堆棧中有多個層，這意味著它不像運送軟件包那么簡單。

我們對 RISC-V 硬件生態(tài)系統(tǒng)的利益相關(guān)者進行了調(diào)查——OpenHW Group、RISC-V International、NXP Semiconductors 和 Andes Technology。我們研究了與開源軟件的相似之處、采用開源硬件的障礙以及支持社區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)的重要性。

最后，我們考慮：開源硬件對商業(yè)芯片制造商意味著什么？

質(zhì)量、支持生態(tài)系統(tǒng)是關(guān)鍵

OpenHW 集團總裁兼首席執(zhí)行官 Rick O'Connor將 RISC-V 等同于 Linux 內(nèi)核結(jié)果，”奧康納告訴EE Times?！爱斎?，內(nèi)核是 20 年前軟件方面的種子，我認為 ISA 在硬件方面也是同樣的種子?！?/p>

里克·奧康納

盡管如此，在采用開源硬件方面仍然存在障礙?！爱斎唬渲兄痪褪琴|(zhì)量，”奧康納補充道?！袄纾绻阍谝患掖笈?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/137/" target="_blank">芯片或 SoC [片上系統(tǒng)] 公司工作，你不會走進你老板的辦公室，把你的徽章押在你下載的這個 IP 塊上，然后說‘我們'準備好了'基于來自大學(xué)的這個酷核心，我們應(yīng)該把它放在我們的大容量 SoC 中。'”

因此，該組織提倡開放式驗證流程，“人們可以使用并查看生態(tài)系統(tǒng)所取得的質(zhì)量和結(jié)果，[然后]生產(chǎn)出大批量 SoC 公司所期望的東西，如果他們完全在他們的擁有，”奧康納說。

該小組還指出了業(yè)界對 RISC-V 和 RISC-V International 的作用的誤解，RISC-V International是監(jiān)督核心 ISA 規(guī)范的基金會。

“人們一直認為基礎(chǔ)是開發(fā)內(nèi)核，”O(jiān)'Connor 說?！八皇?。它是關(guān)于開發(fā)一系列定義指令集架構(gòu)的規(guī)范。然后有各種不同的采用選項：商業(yè)、開源、封閉源代碼、營利性、非營利性、用不同的語言編寫，這取決于你最喜歡的邏輯捕獲語言是什么。”

在這方面，他強調(diào) OpenHW Group 不僅僅是關(guān)于 RISC-V 內(nèi)核。“我們真正關(guān)注的是開發(fā)可用于不同尺寸 SoC 的異構(gòu)集群計算所需的工件。將不同類型的內(nèi)核、加速器和我們需要的所有各種塊聚集在一起?！?/p>

這就是 RISC-V ISA 發(fā)揮關(guān)鍵作用的地方，它開啟了“創(chuàng)新的新前沿”，O'Connor 斷言。“它使任何人都可以將核心縫合在一起，無需與任何人簽署協(xié)議。下載 ISA 規(guī)范，然后我們就走了。從這個角度來看，它是一個關(guān)鍵的推動因素。如果您回想 20 年前，Linux 內(nèi)核的實現(xiàn)有很多很多——遠遠超過我們今天的實現(xiàn)。

“我們對硬件行業(yè)的挑戰(zhàn)是我們?nèi)绾螄@ RISC-V 實現(xiàn)五個或六個系列的核心實現(xiàn)，這將是可持續(xù)的?！?/p>

羅伯·奧沙納

恩智浦半導(dǎo)體研發(fā)軟件工程副總裁 Rob Oshana 表示，開源硬件的發(fā)展方式將與開源軟件的發(fā)展方式大致相同。“Linux 是成千上萬的開發(fā)人員以協(xié)作方式使用和貢獻的實際源代碼”，通過Linux Kernel Archives。

“RISC-V International 擁有一個規(guī)范，而不是一個實現(xiàn)。該規(guī)范以一種非常協(xié)作的方式發(fā)展，并且在 RISC-V 社區(qū)和生態(tài)系統(tǒng)的當前狀態(tài)下已被證明是可行的，”O(jiān)shana 說。

“由于基金會不擁有開放的實施，OpenHW Group 正在通過開發(fā)免費、開放、免版稅的實施的章程來填補這一空白，以及像 Linux 基金會一樣的其他附屬品?！?/p>

需要：社區(qū)支持，而不僅僅是規(guī)范

隨著開源從軟件擴展到硬件，對社區(qū)或合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)參與的需求不斷增長?！叭魏伍_放的社區(qū)都需要培育、照顧和喂養(yǎng)。將某些東西扔進Git并稱其為“開放”總是失敗。需要一個社區(qū)，”奧沙納爭辯道。

“如果不是社區(qū)努力構(gòu)建內(nèi)核、電路板、軟件、參考平臺，OpenHW Group 的內(nèi)核就不會成功。” 他補充說，OpenHW Group“正在利用最佳實踐來使這種硬件技術(shù)也取得成功”。

Oshana 認為，關(guān)鍵是利用最佳實踐并“以持續(xù)的速度投資真正的工程，以使 [硬件開發(fā)] 取得成功并保持成功”?！懊總€發(fā)行版在某些方面都是獨一無二的?！?/p>

同時，開源工具也在不斷發(fā)展。“隨著時間的推移，我們需要一套可靠的基于硬件的工具來支持這一點，”O(jiān)shana 指出。他和其他人認為，衡量一個開放社區(qū)的真正標準是參與度。例如，一旦實現(xiàn)發(fā)布，一個關(guān)鍵指標是用戶社區(qū)如何管理變更請求、錯誤修復(fù)等。“這相當于 Linux 中的上游流程，”O(jiān)shana 說?！熬S護者的角色需要明確?！?/p>

馬克·希梅爾斯坦

RISC-V International 的首席技術(shù)官 Mark Himelstein 也加強了這一社區(qū)方面?！癓inux 不一定是最好的操作系統(tǒng)，但人們?yōu)槭裁匆捎盟?？因為有社區(qū)和支持。神奇的是所有權(quán)的驕傲?，F(xiàn)在使用 Linux 很容易，而且使用 RISC-V，我認為我們是硬件的 Linux。我相信在五到十年的時間里，RISC-V 同樣會成為硬件的明智之選?！?/p>

硬件比軟件強

開源硬件和軟件的主要區(qū)別在于整個堆棧的復(fù)雜性?！翱纯唇裉焐a(chǎn)中的大部分硅片——超過 95% 的量是在基于 Verilog 的工具流程和用于該生產(chǎn)版本的商業(yè)驗證基礎(chǔ)設(shè)施中生產(chǎn)和驗證的，”O(jiān)'Connor 說?！耙虼?，如果我們希望有人采用這些內(nèi)核，則需要將它們輕松地拼接到商業(yè)工具流程中。”

SoC 廠商大多使用 SystemVerilog Universal Verification Methodology 驗證環(huán)境。“我們不會試圖教導(dǎo)或說服他們使用不同的東西，”奧康納說?！叭绻覀冋娴南Ｍ?RTL 采用這些開源塊，他們需要能夠融入該工具流。”

盡管如此，硬件的物理特性仍然存在軟件開發(fā)人員沒有遇到的問題。O'Connor 指出：“直接從半導(dǎo)體晶圓廠幾何級別的物理原理，到晶圓廠工藝背后的配方，”他列舉了在較大節(jié)點的工藝設(shè)計等領(lǐng)域的工作令人鼓舞。

“你已經(jīng)在晶圓廠中獲得了配方、最重要的庫、用于生產(chǎn)GDSII的 CAD 工具的物理層和掩模技術(shù)本身；然后是生產(chǎn)掩模的設(shè)備，以及用于驗證設(shè)計的仿真和驗證軟件和工具，用于捕獲和綜合設(shè)計的綜合工具，然后是用于這些設(shè)計的 IP，”他解釋道。

“該堆棧中的所有這些層都有與每一層相關(guān)的深厚專利組合，這些專利組合是幾十年來開發(fā)的。每一層之間都有很多聯(lián)系。因此，嘗試用開源實現(xiàn)和工具直接替換整個堆棧并不是任何商業(yè)公司都會嘗試做的事情，”O(jiān)'Connor 指出。

OpenHW Group 的創(chuàng)始人考慮是否要創(chuàng)建一個專門針對 RISC-V 內(nèi)核的生態(tài)系統(tǒng)。他們最終決定不這樣做。

奧康納說他們的第一個目標是創(chuàng)造這些核心。“但我們正在以解決開源硬件實施挑戰(zhàn)的愿景和心態(tài)來做這件事。換句話說，使用通用構(gòu)建塊輕松構(gòu)建異構(gòu)集群，以及使用自己的秘訣（圍繞它構(gòu)建的加速器和擴展）對其進行定制的能力?！?/p>

這涉及在通用元素上進行協(xié)作，并在軟件工具級別、硬件 RTL 級別，甚至在驗證級別定義接口點。“然后，您的增值就是您如何修改通用構(gòu)建塊集以添加自定義加速，構(gòu)建這些自定義異構(gòu)集群來實現(xiàn)您的秘密加速器算法。所以，這個概念是 RISC-V 作為 ISA 讓我們開始在處理器核心級別構(gòu)建引人注目的通用構(gòu)建塊，然后在此基礎(chǔ)上構(gòu)建。同時利用最好的商業(yè)工具為實施者提供高度的信心。

“所以，IP 是他們可以信任的東西。”

他預(yù)測開源 FPGA 很快就會出現(xiàn)，最終會出現(xiàn) SoC。

商業(yè)視角

Andes Technology是商業(yè)公司如何接入開源基礎(chǔ)設(shè)施的一個例子。這家臺灣公司推出了幾款基于 RISC-V 的處理器，并宣布了一些客戶實施。

除了為 SK Telecom 和 Renesas 設(shè)計 RISC-V 內(nèi)核外，Andes 最近還宣布，開發(fā) 5G 基站芯片的初創(chuàng)公司EdgeQ將使用其核心 RISC-V 許可證和 Andes 定制擴展來提供開放和可編程的集成人工智能的 5G 平臺。自定義擴展將允許 EdgeQ 設(shè)計、擴展和自定義他們自己的指令集，以實現(xiàn)他們聲稱當前無線基礎(chǔ)設(shè)施無法滿足的新穎性能、特性和功率配置文件。

富蘭克威爾林

“對我們來說，RISC-V 是硬件接口或描述的開源 ISA，而不是開源核心，”Andes Technology 總裁 Frankwell Lin 說。“在 RISC-V 陣營中，從公司到公司，我們都是競爭對手。我們在 RISC-V 標準級別進行合作。但是，在日常業(yè)務(wù)中，我們必須相互競爭。”

Andes 在嵌入式 RISC 內(nèi)核和專有 ISA 架構(gòu)方面擁有十年的經(jīng)驗。“盡管我們將 90% 的資源轉(zhuǎn)移到了 RISC-V 開發(fā)上，但我們?nèi)匀粨碛形覀兊膶Ｓ泻诵模瑥氖略S可業(yè)務(wù)，并且兩者都還在工作，”Lin 說。

除了 RISC-V，Lin 還注意到開放和行業(yè)標準硬件組件的數(shù)量不斷增長。“在硬件方面，RISC-V 并不是第一個開源的?！?例如，Verilog 硬件描述格式是開源的，主要是根據(jù) EDA 領(lǐng)導(dǎo)者 Cadence 和 Synopsys 之間的協(xié)議，Lin 說。

同樣開放的還有硬件接口標準，例如 PCIe、USB、OpenCL 和 OpenCV 以及用于連接的藍牙和 WiFi。

隨著開放硬件工具名單的增長，一個關(guān)鍵問題是是否需要類似于 Linux 內(nèi)核的基礎(chǔ)來促進開源硬件的采用。與 Linux 一樣，社區(qū)支持和個別公司的貢獻至關(guān)重要。

盡管如此，對設(shè)計工具和生產(chǎn)設(shè)備的大量投資使得開源硬件很難賣。這些障礙意味著硬件模塊必須與現(xiàn)有工具鏈輕松集成，以解決硬件設(shè)計和生產(chǎn)每一層的復(fù)雜性。

審核編輯 黃昊宇