今年是 Linux 內核發布 30周年。作為開源軟件運動的基礎，開源代碼催生了數百個使用免費、公共 Linux 發行版的項目。結果是一長串強大、穩定和靈活的產品。

鑒于其成功，是否可以將相同的方法應用于支持開源硬件的采用？像 RISC-V 這樣的指令集架構 (ISA) 能否像 Linux 內核作為開源軟件的基礎一樣為開源硬件的普及奠定基礎？

答案是肯定的和否定的。

目前的架構，RISC-V 是開放的，可作為標準使用，允許圍繞它構建產品的自由、靈活性和速度。但另一方面是硬件更復雜，堆棧中有多個層，這意味著它不像運送軟件包那么簡單。

我們對 RISC-V 硬件生態系統的利益相關者進行了調查——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和生態系統的重要性。

最后，我們考慮：開源硬件對商業芯片制造商意味著什么？

質量、支持生態系統是關鍵

OpenHW 集團總裁兼首席執行官 Rick O'Connor將 RISC-V 等同于 Linux 內核結果，”奧康納告訴EE Times。“當然，內核是 20 年前軟件方面的種子，我認為 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。“當然，其中之一就是質量，”奧康納補充道。“例如，如果你在一家大批量芯片或 SoC [片上系統] 公司工作，你不會走進你老板的辦公室，把你的徽章押在你下載的這個 IP 塊上，然后說‘我們'準備好了'基于來自大學的這個酷核心，我們應該把它放在我們的大容量 SoC 中。'”

因此，該組織提倡開放式驗證流程，“人們可以使用并查看生態系統所取得的質量和結果，[然后]生產出大批量 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。

該小組還指出了業界對 RISC-V 和 RISC-V International 的作用的誤解，RISC-V International是監督核心 ISA 規范的基金會。

“人們一直認為基礎是開發內核，”O'Connor 說。“它不是。它是關于開發一系列定義指令集架構的規范。然后有各種不同的采用選項：商業、開源、封閉源代碼、營利性、非營利性、用不同的語言編寫，這取決于你最喜歡的邏輯捕獲語言是什么。”

在這方面，他強調 OpenHW Group 不僅僅是關于 RISC-V 內核。“我們真正關注的是開發可用于不同尺寸 SoC 的異構集群計算所需的工件。將不同類型的內核、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 發揮關鍵作用的地方，它開啟了“創新的新前沿”，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議。下載 ISA 規范，然后我們就走了。從這個角度來看，它是一個關鍵的推動因素。如果您回想 20 年前，Linux 內核的實現有很多很多——遠遠超過我們今天的實現。

“我們對硬件行業的挑戰是我們如何圍繞 RISC-V 實現五個或六個系列的核心實現，這將是可持續的。”

羅伯·奧沙納

恩智浦半導體研發軟件工程副總裁 Rob Oshana 表示，開源硬件的發展方式將與開源軟件的發展方式大致相同。“Linux 是成千上萬的開發人員以協作方式使用和貢獻的實際源代碼”，通過Linux Kernel Archives。

“RISC-V International 擁有一個規范，而不是一個實現。該規范以一種非常協作的方式發展，并且在 RISC-V 社區和生態系統的當前狀態下已被證明是可行的，”Oshana 說。

“由于基金會不擁有開放的實施，OpenHW Group 正在通過開發免費、開放、免版稅的實施的章程來填補這一空白，以及像 Linux 基金會一樣的其他附屬品。”

需要：社區支持，而不僅僅是規范

隨著開源從軟件擴展到硬件，對社區或合作伙伴生態系統參與的需求不斷增長。“任何開放的社區都需要培育、照顧和喂養。將某些東西扔進Git并稱其為“開放”總是失敗。需要一個社區，”奧沙納爭辯道。

“如果不是社區努力構建內核、電路板、軟件、參考平臺，OpenHW Group 的內核就不會成功。” 他補充說，OpenHW Group“正在利用最佳實踐來使這種硬件技術也取得成功”。

Oshana 認為，關鍵是利用最佳實踐并“以持續的速度投資真正的工程，以使 [硬件開發] 取得成功并保持成功”。“每個發行版在某些方面都是獨一無二的。”

同時，開源工具也在不斷發展。“隨著時間的推移，我們需要一套可靠的基于硬件的工具來支持這一點，”Oshana 指出。他和其他人認為，衡量一個開放社區的真正標準是參與度。例如，一旦實現發布，一個關鍵指標是用戶社區如何管理變更請求、錯誤修復等。“這相當于 Linux 中的上游流程，”Oshana 說。“維護者的角色需要明確。”

馬克·希梅爾斯坦

RISC-V International 的首席技術官 Mark Himelstein 也加強了這一社區方面。“Linux 不一定是最好的操作系統，但人們為什么要采用它呢？因為有社區和支持。神奇的是所有權的驕傲。現在使用 Linux 很容易，而且使用 RISC-V，我認為我們是硬件的 Linux。我相信在五到十年的時間里，RISC-V 同樣會成為硬件的明智之選。”

硬件比軟件強

開源硬件和軟件的主要區別在于整個堆棧的復雜性。“看看今天生產中的大部分硅片——超過 95% 的量是在基于 Verilog 的工具流程和用于該生產版本的商業驗證基礎設施中生產和驗證的，”O'Connor 說。“因此，如果我們希望有人采用這些內核，則需要將它們輕松地拼接到商業工具流程中。”

SoC 廠商大多使用 SystemVerilog Universal Verification Methodology 驗證環境。“我們不會試圖教導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人員沒有遇到的問題。O'Connor 指出：“直接從半導體晶圓廠幾何級別的物理原理，到晶圓廠工藝背后的配方，”他列舉了在較大節點的工藝設計等領域的工作令人鼓舞。

“你已經在晶圓廠中獲得了配方、最重要的庫、用于生產GDSII的 CAD 工具的物理層和掩模技術本身；然后是生產掩模的設備，以及用于驗證設計的仿真和驗證軟件和工具，用于捕獲和綜合設計的綜合工具，然后是用于這些設計的 IP，”他解釋道。

“該堆棧中的所有這些層都有與每一層相關的深厚專利組合，這些專利組合是幾十年來開發的。每一層之間都有很多聯系。因此，嘗試用開源實現和工具直接替換整個堆棧并不是任何商業公司都會嘗試做的事情，”O'Connor 指出。

OpenHW Group 的創始人考慮是否要創建一個專門針對 RISC-V 內核的生態系統。他們最終決定不這樣做。

奧康納說他們的第一個目標是創造這些核心。“但我們正在以解決開源硬件實施挑戰的愿景和心態來做這件事。換句話說，使用通用構建塊輕松構建異構集群，以及使用自己的秘訣（圍繞它構建的加速器和擴展）對其進行定制的能力。”

這涉及在通用元素上進行協作，并在軟件工具級別、硬件 RTL 級別，甚至在驗證級別定義接口點。“然后，您的增值就是您如何修改通用構建塊集以添加自定義加速，構建這些自定義異構集群來實現您的秘密加速器算法。所以，這個概念是 RISC-V 作為 ISA 讓我們開始在處理器核心級別構建引人注目的通用構建塊，然后在此基礎上構建。同時利用最好的商業工具為實施者提供高度的信心。

“所以，IP 是他們可以信任的東西。”

他預測開源 FPGA 很快就會出現，最終會出現 SoC。

商業視角

Andes Technology是商業公司如何接入開源基礎設施的一個例子。這家臺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施。

除了為 SK Telecom 和 Renesas 設計 RISC-V 內核外，Andes 最近還宣布，開發 5G 基站芯片的初創公司EdgeQ將使用其核心 RISC-V 許可證和 Andes 定制擴展來提供開放和可編程的集成人工智能的 5G 平臺。自定義擴展將允許 EdgeQ 設計、擴展和自定義他們自己的指令集，以實現他們聲稱當前無線基礎設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 陣營中，從公司到公司，我們都是競爭對手。我們在 RISC-V 標準級別進行合作。但是，在日常業務中，我們必須相互競爭。”

Andes 在嵌入式 RISC 內核和專有 ISA 架構方面擁有十年的經驗。“盡管我們將 90% 的資源轉移到了 RISC-V 開發上，但我們仍然擁有我們的專有核心，從事許可業務，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標準硬件組件的數量不斷增長。“在硬件方面，RISC-V 并不是第一個開源的。” 例如，Verilog 硬件描述格式是開源的，主要是根據 EDA 領導者 Cadence 和 Synopsys 之間的協議，Lin 說。

同樣開放的還有硬件接口標準，例如 PCIe、USB、OpenCL 和 OpenCV 以及用于連接的藍牙和 WiFi。

隨著開放硬件工具名單的增長，一個關鍵問題是是否需要類似于 Linux 內核的基礎來促進開源硬件的采用。與 Linux 一樣，社區支持和個別公司的貢獻至關重要。

盡管如此，對設計工具和生產設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有工具鏈輕松集成，以解決硬件設計和生產每一層的復雜性。

審核編輯 黃昊宇