今年是 Linux 內(nèi)核發(fā)布 30周年。作為開源軟件運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，開源代碼催生了數(shù)百個(gè)使用免費(fèi)、公共 Linux 發(fā)行版的項(xiàng)目。結(jié)果是一長(zhǎng)串強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)層，這意味著它不像運(yùn)送軟件包那么簡(jiǎn)單。

我們對(duì) RISC-V 硬件生態(tài)系統(tǒng)的利益相關(guān)者進(jìn)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(duì)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(tuán)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。“當(dāng)然，內(nèi)核是 20 年前軟件方面的種子，我認(rèn)為 ISA 在硬件方面也是同樣的種子。”

里克·奧康納

盡管如此，在采用開源硬件方面仍然存在障礙。“當(dāng)然，其中之一就是質(zhì)量，”奧康納補(bǔ)充道。“例如，如果你在一家大批量芯片或 SoC [片上系統(tǒng)] 公司工作，你不會(huì)走進(jìn)你老板的辦公室，把你的徽章押在你下載的這個(gè) IP 塊上，然后說‘我們'準(zhǔn)備好了'基于來自大學(xué)的這個(gè)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(yàn)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(duì) 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(huì)。

“人們一直認(rèn)為基礎(chǔ)是開發(fā)內(nèi)核，”O(jiān)'Connor 說。“它不是。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(xiàng)：商業(yè)、開源、封閉源代碼、營(yíng)利性、非營(yíng)利性、用不同的語(yǔ)言編寫，這取決于你最喜歡的邏輯捕獲語(yǔ)言是什么。”

在這方面，他強(qiáng)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(jì)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。”

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(gè)角度來看，它是一個(gè)關(guān)鍵的推動(dòng)因素。如果您回想 20 年前，Linux 內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)有很多很多——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們今天的實(shí)現(xiàn)。

“我們對(duì)硬件行業(yè)的挑戰(zhàn)是我們?nèi)绾螄@ RISC-V 實(shí)現(xiàn)五個(gè)或六個(gè)系列的核心實(shí)現(xiàn)，這將是可持續(xù)的。”

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(wàn)的開發(fā)人員以協(xié)作方式使用和貢獻(xiàn)的實(shí)際源代碼”，通過Linux Kernel Archives。

“RISC-V International 擁有一個(gè)規(guī)范，而不是一個(gè)實(shí)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(dāng)前狀態(tài)下已被證明是可行的，”O(jiān)shana 說。

“由于基金會(huì)不擁有開放的實(shí)施，OpenHW Group 正在通過開發(fā)免費(fèi)、開放、免版稅的實(shí)施的章程來填補(bǔ)這一空白，以及像 Linux 基金會(huì)一樣的其他附屬品。”

需要：社區(qū)支持，而不僅僅是規(guī)范

隨著開源從軟件擴(kuò)展到硬件，對(duì)社區(qū)或合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)參與的需求不斷增長(zhǎng)。“任何開放的社區(qū)都需要培育、照顧和喂養(yǎng)。將某些東西扔進(jìn)Git并稱其為“開放”總是失敗。需要一個(gè)社區(qū)，”奧沙納爭(zhēng)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(tái)，OpenHW Group 的內(nèi)核就不會(huì)成功。” 他補(bǔ)充說，OpenHW Group“正在利用最佳實(shí)踐來使這種硬件技術(shù)也取得成功”。

Oshana 認(rèn)為，關(guān)鍵是利用最佳實(shí)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”。“每個(gè)發(fā)行版在某些方面都是獨(dú)一無二的。”

同時(shí)，開源工具也在不斷發(fā)展。“隨著時(shí)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(diǎn)，”O(jiān)shana 指出。他和其他人認(rèn)為，衡量一個(gè)開放社區(qū)的真正標(biāo)準(zhǔn)是參與度。例如，一旦實(shí)現(xiàn)發(fā)布，一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是用戶社區(qū)如何管理變更請(qǐng)求、錯(cuò)誤修復(fù)等。“這相當(dāng)于 Linux 中的上游流程，”O(jiān)shana 說。“維護(hù)者的角色需要明確。”

馬克·希梅爾斯坦

RISC-V International 的首席技術(shù)官 Mark Himelstein 也加強(qiáng)了這一社區(qū)方面。“Linux 不一定是最好的操作系統(tǒng)，但人們?yōu)槭裁匆捎盟兀恳驗(yàn)橛猩鐓^(qū)和支持。神奇的是所有權(quán)的驕傲。現(xiàn)在使用 Linux 很容易，而且使用 RISC-V，我認(rèn)為我們是硬件的 Linux。我相信在五到十年的時(shí)間里，RISC-V 同樣會(huì)成為硬件的明智之選。”

硬件比軟件強(qiáng)

開源硬件和軟件的主要區(qū)別在于整個(gè)堆棧的復(fù)雜性。“看看今天生產(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(yàn)證基礎(chǔ)設(shè)施中生產(chǎn)和驗(yàn)證的，”O(jiān)'Connor 說。“因此，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(yàn)證環(huán)境。“我們不會(huì)試圖教導(dǎo)或說服他們使用不同的東西，”奧康納說。“如果我們真的希望 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(jí)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(diǎn)的工藝設(shè)計(jì)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(kù)、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(yàn)證設(shè)計(jì)的仿真和驗(yàn)證軟件和工具，用于捕獲和綜合設(shè)計(jì)的綜合工具，然后是用于這些設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)和工具直接替換整個(gè)堆棧并不是任何商業(yè)公司都會(huì)嘗試做的事情，”O(jiān)'Connor 指出。

OpenHW Group 的創(chuàng)始人考慮是否要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)專門針對(duì) 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(gè)目標(biāo)是創(chuàng)造這些核心。“但我們正在以解決開源硬件實(shí)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(kuò)展）對(duì)其進(jìn)行定制的能力。”

這涉及在通用元素上進(jìn)行協(xié)作，并在軟件工具級(jí)別、硬件 RTL 級(jí)別，甚至在驗(yàn)證級(jí)別定義接口點(diǎn)。“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(shí)現(xiàn)您的秘密加速器算法。所以，這個(gè)概念是 RISC-V 作為 ISA 讓我們開始在處理器核心級(jí)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(shí)利用最好的商業(yè)工具為實(shí)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(cè)開源 FPGA 很快就會(huì)出現(xiàn)，最終會(huì)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(gè)例子。這家臺(tái)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(shí)施。

除了為 SK Telecom 和 Renesas 設(shè)計(jì) 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(kuò)展來提供開放和可編程的集成人工智能的 5G 平臺(tái)。自定義擴(kuò)展將允許 EdgeQ 設(shè)計(jì)、擴(kuò)展和自定義他們自己的指令集，以實(shí)現(xiàn)他們聲稱當(dāng)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(duì)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(yíng)中，從公司到公司，我們都是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。我們?cè)?RISC-V 標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別進(jìn)行合作。但是，在日常業(yè)務(wù)中，我們必須相互競(jìng)爭(zhēng)。”

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(yàn)。“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(biāo)準(zhǔn)硬件組件的數(shù)量不斷增長(zhǎng)。“在硬件方面，RISC-V 并不是第一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，例如 PCIe、USB、OpenCL 和 OpenCV 以及用于連接的藍(lán)牙和 WiFi。

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

盡管如此，對(duì)設(shè)計(jì)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(jì)和生產(chǎn)每一層的復(fù)雜性。

審核編輯 黃昊宇