开源硬件发展势头

开源硬件在RISC-V的引领下继续取得进展——尽管事实上这种处理器技术既不免费也不简单使用。

尽管如此，开源硬件运动已经建立了一个坚实的立足点，之前的多次尝试只取得了有限的成功，即使对处理器也是如此。随着对更多定制硬件的需求，以及越来越多的初创公司希望构建高度定制的加速器和解决方案人工智能/毫升算法，对开源硬件的兴趣一直在上升。市场最终会有多大，开源是否能提供一些公司今天想要的一切，这些都还有待观察。但越来越多的人认识到开源硬件可以发挥作用，这开始吸引整个行业更多的兴趣和投资。

然而，误解依然存在。“人们经常说，‘开源，它是免费的。谷歌的项目负责人、OpenTitan的项目总监多米尼克•里佐(Dominic Rizzo)说。“这就是为什么我们发现最成功的开源项目是那些人们有长期既得利益并以合作的方式一起工作的项目。这与开源的风格形成了鲜明的对比，在开源的风格中，人们开发了一些东西，然后把它踢出了开源的墙。”

改变的是对大规模定制解决方案的需求，而这可能更倾向于RISC-V，而不是开源硬件。“RISC-V是更加定制化计算和特定领域计算趋势的产物，”ibm解决方案营销高级集团总监Frank Schirrmeister说节奏．“你可以说这是一种结果，而不是根本原因。根本原因是客户需要特定于领域的、特定于工作负载的计算，由特定于领域的体系结构和特定于领域的语言支持。任何可扩展的处理器都在这个领域中发挥作用。开源与此是正交的。”

开源硬件在被更大范围的商业应用之前，还有一些有趣的挑战需要解决。“知识产权必须满足同样严格的验证标准，以及当今商业硬件中的长期支持和维护，而不会打破SoC或系统设计师现有的总拥有成本模型。手臂的汽车和物联网业务线。“风险在于，对于一款几乎没有或根本没有区别的设备，与授权相关的成本节约往往被用于验证、物理设计和软件开发的时间和金钱所最小化。现在有很多团体正在尝试解决这些问题。然而，为了取得成功并为SoC提供一些构建模块，他们将需要有意愿的参与者的持续支持和投资。对于围绕SoC的许多标准来说，联盟模式都运行良好，而这是该模式的延伸。”

实现这一目标需要时间。“当人们开始考虑开源硬件时，有些纯粹主义者希望一切都是开源的，”OpenHW集团总裁兼首席执行官里克·奥康纳(Rick O’connor)说。“为硬件行业——尤其是半导体行业——解决这个难题将分阶段进行。许多人认为RISC-V组织是关于处理器内核的免费和开源实现。基本任务是对指令集的规范、各种标准扩展以及指令集的可扩展性的治理。当他们谈论一个ISA它是自由开放的，这意味着你可以自由地用这个ISA做任何你想做的事情。”

文化也在改变。谷歌的Rizzo补充道:“开源是一项重要的投资，你需要有多个既得利益方来看到这个领域的成功和长期成功。“我真的认为验证IP这个东西实际上给出了RTL价值。你不可能只有其中一个，尤其是当你想要投入生产的时候。”

必须评估总价值。“RISC-V作为基准基准是稳定的，并且经过了良好的测试，”公司首席执行官兼联合创始人舒博迪普•罗伊•乔杜里说Valtrix系统．“公司可以加入他们的秘密武器，节省设计时间和成本。与他人合作可以分摊开发成本。验证成本可能仍然很高，因为每个人都希望确保他们的IP按照规范工作。后端成本是不可避免的，所以节省很少。此外，还可以灵活地从多个处理器IP公司中进行选择，因此如果一家供应商的IP不起作用，还有其他替代方案。”

开源硬件
自诞生以来，IP产业已经走过了漫长的道路，人们对商业IP的期望也提高了。

让开源IP达到大批量芯片所需的质量水平是一个挑战。“这就是像OpenHW集团这样的非营利组织发挥作用的地方，”罗伯·范·布洛姆斯坦(Rob van Blommstein)说OneSpin解决方案．“许多公司正在为实现这一目标做出贡献。还有一些大公司强烈希望减少对外国专有技术的依赖。开源硬件的另一个重要方面是，它释放了小公司和个人的巨大创新潜力，他们可以获得免费的可定制核心和成熟的工具链和生态系统。”

OpenHW的O 'Connor说:“开源硬件必须看起来、闻起来和感觉上都像你期望从商业IP供应商那里获得的商业IP。“在OpenHW集团，我们正试图与一群想要制作经过良好验证的高质量IP的公司共同努力，克服惯性，在真正的SystemVerilog中具有良好的功能覆盖和代码覆盖UVM testbench如果这是他们正在做的事情，他们就会自己建造。”

一些市场还有其他的驱动因素。Rizzo说:“安全实现并不是秘密。Kerckhoffs的原则是，你不应该依赖实现的保密性来保证安全。安全工程师，或在这个领域工作的人，想知道发生了什么，因为有太多不舒服的事件或时间，当你说它是安全的，但后来有人发现了一个问题。通过使某些东西成为专利，你不一定把寻找漏洞的人拒之门外，但你确实阻止了研究人员或好奇的人去寻找。”

在线上或线下
看好开源硬件的人倾向于分成两大阵营。Imperas软件公司的首席执行官西蒙•大卫曼说:“线下的人都在寻找免费午餐。“他们什么都不想付钱。如果他们可以免费获得某些东西，他们就可以完成特定的工作。还有那些在线以上的。这些人想要自由。”

在这两个极端之间存在着一个连续体。“RISC-V的专有实现是封闭源代码的，只在内部使用，”奥康纳说。“另一个极端是商业IP公司，他们在许可下销售IP。有很多IP公司提供各种不同语言的开源实现，比如Chisel，硬件描述语言(VHDL)，Verilog或SystemVerilog以及各种形状和尺寸，从微型控制器到高端服务器级机器。”

在这条线以上意味着你知道自己可以付出多少努力，承担多少风险，以及完成任务所需的技能。大卫曼补充说:“如果你在这条线以上，你可能有大量建造大型soc的经验。”“它要求你有一种方法，可以分析你的代码，做大量的分析来确定代码需要改进的地方，或者需要什么样的通信渠道，选择添加哪些指令，处理需要扩展或定制的架构内容，然后构建模型，在上面测试软件，验证它，并在硬件上进行更多的验证。它不应该由那些没有太多经验的人来承担，因为它非常具有挑战性。但它让他们有能力做一些传统处理器无法想象的事情。”

专有处理器IP公司提供了许多相同的替代方案。但RISC-V激发了人们对这些选择的兴趣。

图1:开源采用模型。来源:半导体工程

可扩展指令集
有些人想要最大化的自由创新。ARC DSP处理器的产品营销经理Graham Wilson说:“一小部分人会说，我想完全拥有处理器，我想完全定制它。Synopsys对此．“他们会投资并学习这些工具，他们会花时间。学习如何构建这些新指令是一个战略性的决定。然后他们还会修改核心的架构，添加新的接口，从战略上讲，他们已经决定从ARC可配置的可扩展核心开始拥有处理器。”

有些人采取中间立场。奥康纳说:“这些人从一个经过充分验证的通用核心开始。“他们采用验证基础设施，并在自己的自定义加速器或自定义指令上安装。显然，他们要自己去验证这些，但是他们可以建立在我们提供的验证基础设施上。如果他们希望这成为开源社区的标准实现，那么我们可能会在OpenHW集团内部进行策划。”

即使是那些想要购买RISC-V核心的人，也可能会看到一定程度的自由度。“许多采用RISC-V的人并不打算定制处理器，”该公司设计验证技术营销总监Neil Hand说Mentor是西门子旗下的企业．“他们仍然可以自由地对多个处理器进行基准测试，可以推迟这个决定。在过去，您通常会在项目开始时对处理器做出决定，并且从那时起就会进行修正。使用RISC-V，你有来自多个供应商的类似isa，你可以根据扩展和架构在不同的供应商之间移动。”

随着行业的成熟，行业中出现了大量可用的扩展，发明定制指令的需求可能会减少。Synopsys的Wilson说:“你不会加速FFT，因为它已经被优化了。“当新的算法或新规范出现时，比如无线通信或有线通信，你可能会发现客户会找出特定的瓶颈，然后添加相应的说明。但业界可以从中吸取教训，构建更通用的解决方案，或者在处理器包中提供可扩展指令。”

有些处理器可能是特定于领域的。“如果你看向物联网世界还是有的5克它们是单一用途的设备，”Mentor’s Hand说。“他们只需要做一件事，而且要做得非常好。随着我们进入计算的新时代，在这些专门构建的、特定于应用程序的计算平台的驱动下，由于软件生态系统的原因，您仍然需要可编程性。但是从扩展的角度来看，您将有独特的需求。它们并不一定会在所有地方普遍化。”

这将随着时间的推移而发展。大卫曼说:“如果你去看一些早期的核心，比如苏黎世联邦理工学院的PULP核心，他们想要一些RISC-V基础中不存在的特定指令。”“所以他们必须建立自己的定制指令。今天，这些指令存在于标准中。RISC-V指令集已经变得非常丰富，涵盖了很多东西。有一些工作组已经非常接近完成额外指令集的大部分工作。”

可扩展的体系结构
一些核心将由它们的应用程序域驱动。Cadence Tensilica团队的产品营销总监乔治•沃尔(George Wall)表示:“在人工智能和机器学习方面，很多基础计算都是乘法累加运算。”“但仍有很多效率可以提高，以防止处理器将0乘以0。这是一个可扩展指令集非常方便的例子。”

其中一些算法正变得相当通用。“一个CNN的卷积层包括大量的乘法累加操作，它们阻碍了计算效率，”公司营销总监路易·德·卢纳(Louie De Luna)说Aldec．“cnn需要同时将多个数据块从矩阵移动到外部内存，以避免多次访问内存造成的延迟。cnn的纯硬件实现缺乏解决这些问题的灵活性，因为它们需要复杂的控制器来处理计算和数据传输，但可以创建自定义指令来解决这些特定领域的问题。”

其他人也同意。威尔逊说:“考虑一下sefar雷达的应用。“这些算法利用了一个滑动窗口，所以你会看到添加了自定义指令来加速这些算法。它们与标准不同DSP功能。它是一个数据吞吐量函数，但自定义指令有助于通过滑动窗口从负载存储区或寄存器中取出数据。”

一些处理器开始合并嵌入式fpga，这提供了一个动态可重构的元素。(见相关报道，在现场配置处理器)。但这又产生了一个额外的问题。“它迫使你通过两到三种不同类型的法律或许可方法，只是为了有能力使用软件。支持结构也变得相当复杂。”

业界未能使软件社区能够轻松地使用FPGA编程。QuickLogic公司总裁兼首席执行官布莱恩•费斯表示:“越来越多的工程师毕业于计算机科学或数据科学专业，而不是硬件专业。“在后摩尔时代，硬件需要更像软件，如果可以的话，它将为它开辟更多潜在的用途。FPGA公司喜欢有围墙的花园。他们喜欢用户留在他们的工具上，这让开源公司或工具很难站稳脚跟。我们是第一家公开支持和拥抱fpga开源工具的可编程逻辑公司。”

FPGA公司传统上保护他们的比特流。开放意味着放弃设备配置信息、时间和其他被认为是专有的信息。“我们现在向社区提供这些信息，并将其包含在开源工具中，”Faith补充道。“你不再需要尝试逆向工程任何东西，以便从头到尾设计并获得比特流。”

一些开源程序，如OpenTitan，从RISC-V核心开始，然后在其之上进行添加，将结果放入社区。OpenTitan是一个开源芯片信任的根源．Rizzo说:“我们正在开源RTL和设计验证IP——所有你需要与后端合作伙伴一起制作芯片的东西。”“它提供了一套逻辑上的安全保证。当一台机器启动时，我们会进行非常深入的低级检查，这样我们就知道这是我们知道的、我们控制的、我们已经签名的启动代码。”

添加服务
随着开源软件社区的扩大，新的商业模式也随之产生。同样的情况也发生在硬件领域。Cadence的Schirrmeister说道:“如果我自己去做，那么进入成本将非常高。“然而，在这两者之间也有机会提供服务。你可以使用一个工具自动生成它，从开源架构开始，或者你可以调用提供混合服务和工具的人。这将是一家熟悉架构的公司。他们已经完成了成功的修改，所以他们的附加值就变成了与您一起工作的能力，理解您的需求，并帮助您修改和验证架构，这样您就不必从头开始。”

其他人也同意。“客户可能知道他们需要具体的说明，他们可能会要求我们为他们做这些，”威尔逊说。“他们知道算法，他们知道瓶颈在哪里，但他们需要帮助来实现它。这些人与处理器公司合作可能会更好，因为处理器公司也了解物理实现的影响。”

这些东西可以堆叠。例如，Codasip提供的SweRV核心由西部数据公司开发，并由CHIPS联盟策划，基于RISC-V ISA。“我们已经围绕它增加了一套支持方案，”该公司高级营销总监罗迪•厄克特(Roddy Urquhart)表示Codasip．“这使得实现RISC-V SweRV核心变得更加容易。我们不仅提供核心，还包括对传统第三方设计流程的支持，以及必要的组件设计、实现、测试和编写软件。”

成本与收益
对于投资RISC-V的公司来说，这可能意味着投入资金、捐赠知识产权、在特定领域提供专业知识以及承担风险。QuickLogic的费斯说:“我们不得不放弃的最大的东西就是失去控制的恐惧。“在某些方面，这实际上比开支票更难。它说服董事会或管理团队，我们不想要一个有围墙的花园，我们不想保护我们如何布局设备，如何路由架构或通道。我们不想保护时间信息。这实际上放弃了更多-因为这是控制-比我们花在这上面的任何一块钱都要多。我认为这是一个成长的机会，我愿意承担这个风险，放下对失控的恐惧。”

一些公司愿意提供人力。“您可以通过执行测试和运行测试来提供帮助，或者就我们如何构建验证测试平台提供指导，”O 'Connor说。“你可以让工程师参与，但成员不必捐款。这就是我们如何创建一个可持续的虚拟团队。但你不一定要成为会员才能使用这个IP。我们的IP是完全开源的。你可以下载它，把它放进你的设备，然后就可以走了。”

但参与也会带来回报。O 'Connor补充道:“如果你想要影响路线图，决定IP的功能，你需要成为其中的一员。“如果你想影响我们项目的优先级，你需要成为一名成员。如果你想影响我们验证知识产权的方法和结构，你就需要成为工作组的成员并参与其中。”

EM微电子公司的工程师Greg Tumbush生动地描述了交战的威力。“中断验证是一项庞大的工作。当OpenHW小组讨论中断结构的样子时，我建议他们使用核心本地中断控制器(CLIC)或核心本地中断器(CLINT)中断方法。当你在构思你的设计时，越接近标准核心越好。首先，国际空间站的模型可能是正确的。其次，他们所做的验证也适用于你。而且，你所开发的任何东西，包括bug修复，都是可以直接贡献的。如果你有完全不同的核心，你的公司和OpenHW之间就没有协同作用。如果我验证中断，那么任何下载这个内核的人都不需要验证中断，这对他们来说是一个很大的任务。通过做出贡献，你获得了影响力，而有了影响力，你就可以影响核心的演变。”

你得睁大眼睛进去。里佐说:“在某种程度上，你要放弃控制权，尽最大努力把事情引向健康的方向。”“如果你来自不同的角度，而且你习惯了大量的细粒度控制，这可能是一件很难接受的事情。你必须以一种积极的态度对待它，并看到开源的优势。这将花费更长的时间，需要更多的讨论，但这些权衡是值得的。我们在某些方面很擅长，但并不是所有方面都是专家。所以我们走到那里，与真正了解愿景的特定合作伙伴合作。”

结论
随着RISC-V处理器ISA的出现，开源硬件已经成为现实。该行业现在有足够的动力来解决问题并找到解决方案。

新的商业模式正在出现，但开源硬件看起来不太可能像开源软件。硬件需要更多的投资，因为实现硬件会带来更大的成本和风险。但是通过协作，有可能找到更好的架构并创建更好的解决方案。

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