第3期 2021/02/26
開源——不再僅僅是軟件
作者：Kevin Krewell
更新時(shí)間：2021年2月2日
在硬件設(shè)計(jì)領(lǐng)域里，“開源”這個(gè)詞具有多種含義：它既可以指開放的規(guī)范、開放/自由設(shè)計(jì)文件/RTL、超出保護(hù)期的專利/版權(quán)設(shè)計(jì)，也可以指代開發(fā)商決定終止支持的設(shè)計(jì)——或者被稱為被放棄的設(shè)計(jì)。
因此，開源硬件的價(jià)值差異很大。很多原始的開源硬件項(xiàng)目規(guī)模很小，對(duì)芯片設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)的影響非常有限。而RISC-V（英文發(fā)音為“risk five”）則可能是其中最著名，也是對(duì)這個(gè)行業(yè)影響最大的一個(gè)項(xiàng)目——盡管它并不是第一個(gè)開源的硬件項(xiàng)目。
RISC-V改變了游戲規(guī)則。
這個(gè)開源芯片項(xiàng)目始于加州大學(xué)伯克利分校的一個(gè)學(xué)術(shù)項(xiàng)目，該校還曾經(jīng)創(chuàng)造了第一款精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC）CPU：RISC-1。David Patterson是該架構(gòu)的創(chuàng)始人之一，他撰寫的關(guān)于RISC的研究論文可謂影響深遠(yuǎn)。RISC-1一躍成為Sun Micro SPARC處理器。在上個(gè)世紀(jì)八十年代，RISC證明了新的處理器架構(gòu)足以支持建立有生存能力的公司。
RISC-V最初是作為教學(xué)和研究工具出現(xiàn)的。該指令集的設(shè)計(jì)非常干凈、簡(jiǎn)單、現(xiàn)代，而且沒有知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面的麻煩。開放的模式允許研究人員構(gòu)建芯片，擴(kuò)展架構(gòu)并探索新的指令。對(duì)于研究生來說，它也是一種非常容易上手的設(shè)計(jì)工具。
該校的團(tuán)隊(duì)對(duì)于RISC在公共領(lǐng)域的態(tài)度非常寬松。其他人開始使用它。結(jié)果是學(xué)者們和研究人員們圍繞著RISC-V建立起了一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。然后，伯克利團(tuán)隊(duì)為正式開發(fā)和尋求社區(qū)意見奠定了基礎(chǔ)。最早的行業(yè)推廣活動(dòng)出現(xiàn)在2014年的Hot Chips會(huì)議上，當(dāng)時(shí)的展示是用一個(gè)臺(tái)式顯示器進(jìn)行的。從那時(shí)候起，該項(xiàng)目便如同滾雪球一般迅速成為了一股席卷全球的力量。
該基金會(huì)更名為RISC-V International，并已經(jīng)將總部遷往瑞士的日內(nèi)瓦——此舉象征著中立立場(chǎng)。RISC-V International基金會(huì)的首席執(zhí)行官Calista Redmond將RISC-V描述為開放標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。該組織還宣稱沒有特定的CPU作為開源設(shè)計(jì)。相反，它是一個(gè)指令集和行為規(guī)范，一直發(fā)展到一定程度，然后凍結(jié)。
RISC-V就像是積木，企業(yè)可以在它上面添加擴(kuò)展。實(shí)施者可以自行決定是否要將他們的CPU內(nèi)核作為開源發(fā)布，他們也可以收取內(nèi)核使用費(fèi)，或者結(jié)合使用兩種模式。
該標(biāo)準(zhǔn)是開放的，但是基于該標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的CPU設(shè)計(jì)則不一定要是開放的或免費(fèi)的。在開放設(shè)計(jì)方面，西部數(shù)據(jù)（Western Digital）公司開發(fā)了SweRV內(nèi)核，供內(nèi)部的閃存陣列存儲(chǔ)控制器使用。然后，該公司開源了該內(nèi)核。
因此，RISC-V提供了一個(gè)嶄新的、入門門檻低并且更加干凈的架構(gòu)，而且這個(gè)架構(gòu)具備了很好的靈活性。
RISC-V的一個(gè)問題是指令集的碎片化，但是基本體系架構(gòu)已經(jīng)足以應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化軟件開發(fā)。該指令集還可以通過廣泛的社區(qū)參與受益——有五十名委員一直致力于設(shè)計(jì)和生態(tài)系統(tǒng)里方方面面的工作。
RISC-V開放式規(guī)范的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是消除了對(duì)架構(gòu)授權(quán)的需求，而用戶在設(shè)計(jì)自己的CPU內(nèi)核時(shí)，如果使用的是Arm或者M(jìn)IPS IP則有可能需要這類授權(quán)。盡管Arm確實(shí)提供了一些免費(fèi)的開發(fā)內(nèi)核，但是設(shè)計(jì)人員們?nèi)匀槐仨毷褂肁rm設(shè)計(jì)的內(nèi)核，并為已經(jīng)出貨的產(chǎn)品支付專利使用費(fèi)。絕大多數(shù)商業(yè)芯片仍然在使用授權(quán)的內(nèi)核。
即使開發(fā)人員愿意選擇預(yù)制CPU授權(quán)，他們也有更多的知識(shí)產(chǎn)權(quán)選擇。
例如，臺(tái)灣的晶心科技股份有限公司（Andes Technology Corp.）已經(jīng)開發(fā)了可授權(quán)的RISC-V內(nèi)核。幾位RISC的先驅(qū)創(chuàng)建了SiFive，它是開發(fā)授權(quán)的、開源可定制CPU，該公司的商業(yè)模型是建立在設(shè)計(jì)服務(wù)的基礎(chǔ)之上，并提供具有商業(yè)功能（如跟蹤，調(diào)試和安全選項(xiàng)）的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。類似于Red Hat和SUSE之類通過Linux發(fā)行獲利的公司，設(shè)計(jì)公司可以通過提供定制化和支持CPU知識(shí)產(chǎn)權(quán)的方式，通過RISC-V獲利。
技術(shù)主權(quán)
隨著技術(shù)冷戰(zhàn)的興起，技術(shù)主權(quán)是另一個(gè)新出現(xiàn)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題。就RISC-V而言，沒有一個(gè)國(guó)家控制了這項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。因此，無法在貿(mào)易糾紛中單獨(dú)阻止某人使用該指令集。
目前，RISC-V生態(tài)系統(tǒng)也已成為其他開源設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。例如，一個(gè)名為libreSoC的小組正在開發(fā)基于RISC-V的開源GPU。他們的目標(biāo)是混合CPU、VPU和GPU。
實(shí)際上，RISC-V并不是第一個(gè)開源硬件存儲(chǔ)庫。在它之前有Open Cores，該站點(diǎn)允許開發(fā)人員“查看、下載、重用和共享網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)”。這些項(xiàng)目包括實(shí)際的電路設(shè)計(jì)，但大多數(shù)都是模糊的學(xué)術(shù)項(xiàng)目或者是已經(jīng)不再延續(xù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這些知識(shí)產(chǎn)權(quán)被稱為“廢棄的設(shè)計(jì)”。這些內(nèi)核缺乏強(qiáng)大的、可擴(kuò)展的社區(qū)支持，只能供業(yè)余愛好者和學(xué)者們使用。
其他開放式CPU體系結(jié)構(gòu)還包括IBM Power和Sun Microsystems / Oracle SPARC。
OpenSPARC項(xiàng)目開始于2005年。該站點(diǎn)根據(jù)GNU通用公共許可證提供了針對(duì)SPARC T1 / T2內(nèi)核的RTL。它們是小型、多線程內(nèi)核，非常適合大吞吐量的運(yùn)算。
另一個(gè)項(xiàng)目是歐洲航天局開發(fā)的LEON CPU內(nèi)核。這個(gè)32位的SPARC V8內(nèi)核具有兩種不同的授權(quán)。Oracle結(jié)束了SPARC的開發(fā)之后，對(duì)該架構(gòu)的興趣就減弱了。
IBM于2013年與谷歌、泰安電腦（Tyan）、英偉達(dá)（Nvidia）和Mellanox合作，共同創(chuàng)立了Open Power Foundation。該機(jī)構(gòu)最初的目標(biāo)是提供能夠在服務(wù)器和HPC領(lǐng)域抗衡英特爾處理器的替代方案。但是該項(xiàng)目存在著很大的局限性：IBM最初是唯一的Power芯片提供商。后來，一家中國(guó)的公司——蘇州中晟宏芯信息科技有限公司開發(fā)了Power處理器。在Arm服務(wù)器和AMD的Epyc處理器進(jìn)入市場(chǎng)挑戰(zhàn)了英特爾的統(tǒng)治地位之后，對(duì)該項(xiàng)目的興趣也減弱了。該項(xiàng)目仍在發(fā)展，但是進(jìn)展緩慢。
去年9月，IBM貢獻(xiàn)了A2O Power處理器內(nèi)核，這是對(duì)A2I內(nèi)核的無序跟進(jìn)。A2O是64位的CPU，具有強(qiáng)勁的單線程性能，能夠達(dá)到4 GHz時(shí)鐘速度，并使用了7納米工藝。OpenPOWER項(xiàng)目還刺激了相關(guān)的接口標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，例如OpenCAPI和OMI（Open Memory Interface，開放內(nèi)存接口）。
盡管如此，OpenSPARC和OpenPOWER的影響力仍然非常有限。即使該架構(gòu)的使用是“開放的”，最初參與的幾家公司仍然緩慢地將控制權(quán)交給了設(shè)計(jì)社區(qū)。OpenPOWER設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大，但是缺乏包括浮點(diǎn)單元在內(nèi)的完整平臺(tái)。而且，它們?nèi)匀桓叨纫蕾嘔BM的支持。
最近，Linux基金會(huì)發(fā)起了一個(gè)名為CHIPS Alliance的項(xiàng)目，試圖為開源硬件生態(tài)注入活力。在12月，該組織宣布將與RISC-V International合作，為重?cái)?shù)據(jù)應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)化的、開放的、統(tǒng)一存儲(chǔ)一致性總線。
必需的多樣性
為了取得成功，開源知識(shí)產(chǎn)權(quán)需要一個(gè)強(qiáng)大的、多元化的社區(qū)在背后支持。還需要一個(gè)開放的生態(tài)系統(tǒng)，能夠重視對(duì)體系架構(gòu)的貢獻(xiàn)，同時(shí)為新的開發(fā)提供交流中心。這樣，開源知識(shí)產(chǎn)權(quán)項(xiàng)目才能夠最終與授權(quán)內(nèi)核和專有架構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)。
RISC-V項(xiàng)目滿足了上述要求中的大部分，因此很有希望。OpenPOWER也有潛力，但需要更廣泛的支持才能達(dá)到被市場(chǎng)接受的關(guān)鍵水平。
盡管如此，RISC-V是否能夠取得長(zhǎng)期的成功仍然不能確定，而世界領(lǐng)先的知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商——Arm也不會(huì)很快消失。如果能夠通過被英偉達(dá)（Nvidia）收購的反壟斷審查，Arm的商業(yè)模式可能會(huì)出現(xiàn)重大的調(diào)整。到目前為止，英偉達(dá)已經(jīng)保證將保持Arm的商業(yè)模式不變。
Arm仍可能采用混合知識(shí)產(chǎn)權(quán)授權(quán)的模式，但擴(kuò)展可能僅限于蘋果公司等大型架構(gòu)被授權(quán)人。
同時(shí)，RISC-V將繼續(xù)吸引更多的投資和人才。開源體系結(jié)構(gòu)最初的成功大部分來自微控制器。隨著它進(jìn)入應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)中心處理器的性能提升，開源體系架構(gòu)將不得不同根深蒂固而又無處不在的Arm生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。
本文章選自《數(shù)字化轉(zhuǎn)型方略》雜志，閱讀更多雜志內(nèi)容，請(qǐng)掃描下方二維碼
