INFORMATION

信息资讯

開源的,不再只是軟體

2021-04-12
「開源」在硬體設計領域有多種含義:開放的規範、開放/免費的設計檔/RTL、具有過期專利/版權保護的設計、因贊助商不再支持而放棄的設計(稱為被棄軟體)。
因此,開源硬體的價值不一而同。許多原始的開源硬體專案規模很小,對晶片設計業務的影響也有限。但有一個開源硬體專案,它也許不是第一個,但可能是最出名而且對產業產生的影響也最大,那就是RISC-V。
可以說,RISC-V改變了遊戲規則。

開源晶片的研發最初始於加州大學柏克萊分校(University of California at Berkley)的一個學術專案,也是該機構,製造了第一個精簡指令集電腦(RISC) CPU:RISC-1。RISC架構的創始人之一David Patterson撰寫了有關RISC的開創性研究論文。RISC-1後來發展成為Sun Micro SPARC處理器,20世紀80年代,圍繞這種新的處理器架構,誕生了很多頗具生存能力的公司。
RISC-V最初旨在用作教學和研究工具。其指令集設計乾淨、簡單、先進且不存在IP的限制。它採用的開放方法允許研究人員建構晶片、擴展架構並探索新的指令,它甚至簡單到連正在學習的研究生也可以用它來設計。
柏克萊團隊在公共領域開放RISC,人們開始使用它。這為研究人員注入了動力,他們圍繞RISC-V建立了生態系統,隨後,柏克萊團隊創立了基金會以將開發工作正規化,並尋求社群加入。在2014年Hot Chips大會上,該團隊透過一台桌上型顯示器對其進行了展示,這是RISC最早的產業推廣活動。從那時起,該專案便迅速發展成為一項國際運動。
RISC基金會後來也更名為RISC-V國際協會,總部遷至瑞士日內瓦,以象徵其中立立場。RISC-V國際協會CEO Calista Redmond將RISC-V描述為一種開放的標準架構。該組織還聲明,作為一種開放設計,它沒有針對特定的CPU,相反,它是一個指令集和行為規範,發展到一定程度就會凍結。
RISC-V提供的是建構塊,任何公司都可以在其基礎之上進行擴展。開發者可以決定開放發佈其CPU核心,也可以收取核心授權費,或者兩者相結合。
標準是開放的,但基於該標準建構的CPU設計不一定要開放或免費。Western Digital (WD)開發的SweRV核心是一個開源設計的示例。SweRV核心一開始僅應用於其內部快閃記憶體陣列儲存控制器;後來該公司將其核心開源。
可見,RISC-V入門成本較低,是一種更乾淨、更靈活的新型架構。
RISC-V也存在指令集的碎片問題,但其基礎架構足以用於標準化的軟體發展。該指令集還受益於社群的廣泛參與——現在有50個委員會致力於其設計和生態系統的各個方面。
RISC-V開放式規範的另一個優點是消除了對架構授權的需求。在此之前,用戶設計自己的CPU核心時都需要Arm或MIPS的IP授權。雖然Arm確實提供了一些免費的開發核心,但設計人員仍然必須使用Arm設計的核心,並需要為每個成品支付專利授權費。大多數的商業晶片現在仍在使用專利核心。
如果設計人員想要收取預製CPU的授權費用,他們也有更多的IP選擇。
例如,晶心科技(Andes Technology)已經開發出可授權的RISC-V核心。RISC的幾個先驅也已經創建了SiFive,以開發可授權的、開源和可客製的CPU;其商業模式基於設計服務,同時提供具有商用功能(如追蹤、除錯和安全等)的IP。就像透過Linux的發佈而獲利的公司(包括Red Hat和SUSE)一樣,設計公司也可以透過提供客製服務和支援服務的CPU IP,從RISC-V中獲利。
技術主權
技術主權是另一個新出現的IP問題,尤其是隨著現代科技冷戰的興起。就RISC-V而言,沒有一個國家控制該IP,因此,僅根據貿易爭端無法阻止任何人使用該指令集。
截至目前,RISC-V生態系統也已成為其他開源設計的核心。例如,一個名為libreSoC的組織正在開發基於RISC-V的開源GPU,其目標是混合CPU、VPU和GPU。
實際上,RISC-V並不是第一個開源硬體庫。在它之前還有Open Cores,這是一個允許開發人員「查看、下載、重用和共用門戶軟體設計」的網站。其專案中包括實際的電路設計,但大多都是晦澀的學術專案,或被稱為「過剩」或「被棄軟體」的已終止IP。這些核心缺乏強健性和持續的社群支持,只適合業餘愛好者和學者。
其他開放式CPU架構還包括IBM Power和Sun Microsystems/Oracle SPARC。
OpenSPARC專案開始於2005年。它採用GNU GPL授權並透過網站發佈了SPARC T1/T2處理器核心的RTL。SPARC T1/T2採用小型多執行緒核心,非常適合高輸送量運算。
另一個例子是歐洲太空總署開發的LEON CPU核心。其32位元SPARC V8核心具有雙重授權模型,但一旦Oracle結束SPARC的開發,人們對該架構的興趣就會減退。
IBM在2013年與合作夥伴Google、泰安電腦(Tyan)、Nvidia和Mellanox共同創立了Open Power基金會,其最初目標是為英特爾(Intel)處理器佔據主導的伺服器和HPC領域提供替代方案。但該項目存在很大的局限性,因為IBM本來就是唯一的Power晶片提供商。後來,一家中國公司,蘇州中晟宏芯(PowerCore)開發出了Power處理器,但是,一旦Arm架構伺服器和AMD Epyc處理器進入市場挑戰英特爾,該專案的熱度也會減退。目前它仍在發展,但進展緩慢。
去年9月,IBM推出了A2O Power處理器核心,它採用亂序執行(out-of-order),是A2I核心的後續設計。A2O是具有出色單執行緒性能的64位元CPU,具備4GHz時脈速率且基於7nm製程。另外,OpenPOWER專案還催生了相關的介面標準,例如OpenCAPI和OMI(開放記憶體介面)。
儘管如此,OpenSPARC和OpenPOWER的影響仍然有限。即使提供了對架構的「開放」訪問權,原始公司仍然是極不情願地將控制權交給設計社群。OpenPOWER設計功能強大,但缺乏包括浮點運算器在內的完整平台,而且,它們仍然高度依賴IBM的支援。
最近,Linux基金會宣佈了CHIPS (Common Hardware for Interfaces, Processors and Systems)聯盟專案,旨在為開源硬體生態系統注入種子基金。12月,該基金會又宣佈了與RISC-V國際協會合作的計畫,他們將致力於為資料密集應用提供標準化的開放式統一儲存一致匯流排。
多元化需求
開源IP需要強大的多元化社群支持才能獲得成功。而且,它還需要一個開放的生態系統,重視架構的貢獻,同時能為新的開發提供空間。這樣,開源IP項目才能最終與授權核心和專有架構一較高下。
RISC-V項目滿足了上述的大多數需求,前途光明。OpenPOWER也有一定潛力,但需要更廣泛的支援才能達到市場接受的規模臨界點。
儘管如此,RISC-V是否能獲得長遠的成功還沒有定論,而世界領先的IP供應商Arm也不會坐以待斃。如果Nvidia收購Arm的計畫能夠在反壟斷審查中倖存下來,那麼Arm可能會經歷重大的商業模式改變。不過目前,Nvidia一直承諾收購成功會保持Arm的商業模式不變。
Arm仍有可能採用混合IP授權模式,但其擴展可能僅限於蘋果(Apple)之類的大型架構授權證持有者。
與此同時,RISC-V將繼續吸引更多的投資和人才。開源架構的最初成功大部分來自微控制器,但隨著應用和資料中心處理器性能的不斷提升,它將不得不與根深蒂固、廣泛應用的Arm生態系統競爭。