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开源的,不再只是软件

时间:2021-04-08 作者:Kevin Krewell, Trias Research 阅读:
“开源”在硬件设计领域有多种含义:开放的规范、开放/免费的设计文件/ RTL、具有过期专利/版权保护的设计、因赞助商不再支持而放弃的设计(称为被弃软件)。因此,开源硬件的价值不一而同。
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“开源”在硬件设计领域有多种含义:开放的规范、开放/免费的设计文件/ RTL、具有过期专利/版权保护的设计、因赞助商不再支持而放弃的设计(称为被弃软件) 。

因此,开源硬件的价值不一而同。许多原始的开源硬件项目规模很小,对芯片设计业务的影响也有限。但有一个开源硬件项目,它也许不是第一个,但可能是最出名而且对行业产生的影响也最大,那就是RISC-V。

可以说,RISC-V改变了游戏规则。

开源芯片的研发最初始于加利福尼亚大学伯克利分校的一个学术项目,也是该机构,制成了第一个精简指令集计算机(RISC)CPU:RISC-1。RISC架构的创始人之一David Patterson撰写了有关RISC的开创性研究论文。RISC-1后来发展成为Sun Micro SPARC处理器。20世纪80年代,围绕这种新的处理器架构,诞生了很多颇具生存能力的公司。

RISC-V最初旨在用作教学和研究工具。其指令集设计干净、简单、先进且不存在知识产权的限制。它采用的开放方法允许研究人员构建芯片、扩展架构并探索新的指令。它甚至简单到连正在学习的研究生也可以用它来设计。

伯克利团队在公共领域开放RISC,人们开始使用它。这给研究人员注入了动力,他们围绕RISC-V建立了生态系统。随后,伯克利团队创立了基金会以将开发工作正规化,并寻求社群输入。在2014年Hot Chips大会上,该团队通过一台台式显示器对其进行了展示,这是RISC最早的行业推广活动。从那时起,该项目便迅速发展成为一项国际运动。

RISC基金会后来也更名为RISC-V国际协会,总部迁至瑞士日内瓦,以象征其中立立场。 RISC-V国际协会CEO Calista Redmond将RISC-V描述为一种开放的标准架构。该组织还声明,作为一种开源设计,它没有针对特定的CPU。相反,它是一个指令集和行为规范,发展到一定程度就会冻结。

RISC-V提供的是构建块,任何公司都可以在其基础之上进行扩展。开发者可以决定开源发布其CPU内核,也可以收取内核使用费,或者两者相结合。

标准是开放的,但基于该标准构建的CPU设计不一定要开放或免费。西部数据公司开发的SweRV内核是一个开放设计的示例。SweRV内核一开始仅应用于其内部闪存阵列存储控制器;后来该公司将其内核开源。

可见,RISC-V入门成本较低,是一种更干净、更灵活的新型架构。

RISC-V也存在指令集的碎片问题,但其基础架构足以用于标准化的软件开发。该指令集还受益于社群的广泛参与——现在有50个委员会致力于其设计和生态系统的各个方面。

RISC-V开放式规范的另一个优点是消除了对架构许可的需求。在此之前,用户设计自己的CPU内核时都需要Arm或MIPS的IP许可。虽然Arm确实提供了一些免费的开发内核,但设计人员仍然必须使用Arm设计的内核,并需要为每个成品支付专利使用费。大多数的商业芯片现在仍在使用专利内核。

如果设计人员想要收取预制CPU的许可费用,他们也有更多的IP选择。

例如,中国台湾的晶心科技(Andes Technology Corp.)已经开发出可授权的RISC-V内核。RISC的几个先驱也已经创建了SiFive,以开发可授权的、开源和可定制的CPU;其商业模式基于设计服务,同时提供具有商用功能(如跟踪、调试和安全等)的IP。就像通过Linux的发布而获利的公司(包括Red Hat和SUSE)一样,设计公司也可以通过提供定制服务和支持服务的CPU IP,从RISC-V中获利。

技术主权

技术主权是另一个新出现的知识产权问题,尤其是随着现代科技冷战的兴起。就RISC-V而言,没有一个国家控制该IP。因此,仅根据贸易争端无法阻止任何人使用该指令集。

截至目前,RISC-V生态系统也已成为其他开源设计的核心。例如,一个名为libreSoC的组织正在开发基于RISC-V的开源GPU。其目标是混合CPU、VPU和GPU。

实际上,RISC-V并不是第一个开源硬件库。在它之前还有Open Cores,这是一个允许开发人员“查看、下载、重用和共享门户软件设计”的网站。其项目中包括实际的电路设计,但大多都是晦涩的学术项目,或被称为“过剩”或“被弃软件”的已终止IP。这些内核缺乏鲁棒性和持续的社群支持,只适合业余爱好者和学者。

其他开放式CPU架构还包括IBM Power和Sun Microsystems / Oracle SPARC。

OpenSPARC项目开始于2005年。它采用GNU GPL许可通过网站发布了SPARC T1/T2处理器内核的RTL。SPARC T1 / T2采用小型多线程内核,非常适合高吞吐量计算。

另一个例子是欧洲空间局开发的LEON CPU内核。其32位SPARC V8内核具有双重许可模型。但一旦Oracle结束SPARC的开发,人们对该架构的兴趣就会减退。

IBM于2013年与合作伙伴谷歌、泰安电脑(Tyan)、英伟达和Mellanox共同创立了Open Power基金会,其最初目标是为英特尔处理器占据主导的服务器和HPC领域提供替代方案。但该项目存在很大的局限性,因为IBM本来就是唯一的Power芯片提供商。后来,一家中国公司,苏州中晟宏芯(PowerCore)开发出了Power处理器。但是,一旦Arm架构服务器和AMD Epyc处理器进入市场挑战英特尔,该项目的热度也会减退。目前它仍在发展,但进展缓慢。

去年9月,IBM推出了A2O Power处理器内核,它采用无序执行(寄存器重命名、保留站、完成缓冲区),是A2I内核的后续设计。A2O是具有出色单线程性能的64位CPU,具备4 GHz时钟速率且基于7纳米工艺。另外,OpenPOWER项目还催生了相关的接口标准,例如OpenCAPI和OMI(开放内存接口)。

尽管如此,OpenSPARC和OpenPOWER的影响仍然有限。即使提供了对架构的“开放”访问权,原始公司仍然是极不情愿地将控制权交给设计社群。OpenPOWER设计功能强大,但缺乏包括浮点运算器在内的完整平台。而且,它们仍然高度依赖IBM的支持。

最近,Linux基金会宣布了CHIPS (Common Hardware for Interfaces, Processors and Systems)联盟项目,旨在为开源硬件生态系统注入种子基金。12月,该财团又宣布了与RISC-V 国际协会合作的计划,他们将致力于为数据密集应用提供标准化的开放式统一存储一致总线。

多元化需求

开源知识产权需要强大的多元化社群支持才能获得成功。而且,它还需要一个开放的生态系统,重视架构的贡献,同时能为新的开发提供空间。这样,开源IP项目才能最终与授权内核和专有架构一较高下。

RISC-V项目满足了上述的大多数需求,前途光明。OpenPOWER也有一定潜力,但需要更广泛的支持才能达到市场接受的规模临界点。

尽管如此,RISC-V是否能获得长远的成功还未有定论,而世界领先的IP提供商Arm也不会坐以待毙。如果英伟达收购Arm的计划能够在反垄断审查中幸存下来,那么Arm可能会经历重大的商业模式改变。不过目前,英伟达一直承诺收购成功会保持Arm的商业模式不变。

Arm仍有可能采用混合IP许可模式,但其扩展可能仅限于苹果公司之类的大型架构许可证持有者。

与此同时,RISC-V将继续吸引更多的投资和人才。开源架构的最初成功大部分来自微控制器,但随着应用和数据中心处理器性能的不断提升,它将不得不与根深蒂固、广泛应用的Arm生态系统相竞争。

(参考原文:Open Source: It’s Not Just for Software Anymore)

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2021年4月刊杂志文 章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

 

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