Kan open source hardware het succes van Linux evenaren

Dit jaar is het de 30 ^e verjaardag van de release van de Linux-kernel. De open source-code, die als basis diende voor de open source-softwarebeweging, bracht honderden projecten voort die gebruik maakten van gratis, openbare Linux-distributies. Het resultaat is een lange lijst van robuuste, stabiele en flexibele producten.

Kan, gezien het succes, dezelfde benadering worden toegepast om de adoptie van open source hardware mogelijk te maken? Kan een instructieset-architectuur (ISA) zoals RISC-V de basis creëren voor de verspreiding van open source hardware op dezelfde manier als de Linux-kernel als basis diende voor open source software?

Het antwoord is zowel ja als nee.

De architectuur van dit moment, RISC-V is open en standaard beschikbaar, waardoor vrijheid, flexibiliteit en snelheid mogelijk is bij het bouwen van producten eromheen. Maar de keerzijde is dat hardware complexer is en met meerdere lagen in de stapel betekent dit dat het niet zo eenvoudig is als het verzenden van een softwarepakket.

We hebben belanghebbenden in het RISC-V hardware-ecosysteem ondervraagd:OpenHW Group, RISC-V International, NXP Semiconductors en Andes Technology. We onderzoeken de overeenkomsten met open source software, belemmeringen voor de acceptatie van open source hardware en het belang van een ondersteunende gemeenschap en ecosysteem.

Ten slotte overwegen we:wat betekent open source hardware voor commerciële chipmakers?

Kwaliteit, ondersteunend ecosysteem staan ​​centraal

Rick O'Connor, president en CEO van de OpenHW Group, stelt RISC-V gelijk aan de Linux-kernel. een resultaat,” vertelde O'Connor aan EE Times . "Zeker, de kernel was 20 jaar geleden het zaad aan de softwarekant, en de ISA is datzelfde zaad, denk ik, aan de hardwarekant."

Toch blijven er belemmeringen voor de toegang tot open source hardware. "Zeker, een daarvan is kwaliteit", voegde O'Connor eraan toe. “Als je bijvoorbeeld in een high-volume chip of SoC [system-on-chip]-bedrijf werkt, ga je niet het kantoor van je baas binnenlopen en je badge inzetten op dit IP-blok dat je hebt gedownload en zeggen:'We 're ready to go' gebaseerd op deze coole kern van een universiteit, en we zouden het in onze high-volume SoC moeten stoppen.'”

Daarom pleit de groep voor een open verificatiestroom "die mensen de kwaliteit en de resultaten die het ecosysteem heeft bereikt kunnen gebruiken en zien, en vervolgens kunnen produceren wat zou worden verwacht door een grootschalig SoC-bedrijf als ze het volledig op hun eigen,' zei O'Connor.

De groep wijst ook op misvattingen in de sector over RISC-V en de rol van de RISC-V International, de stichting die toezicht houdt op de belangrijkste ISA-specificatie.

"Mensen dachten altijd dat de basis over het ontwikkelen van kernen ging", zei O'Connor. "Het is niet. Het gaat om het ontwikkelen van een reeks specificaties die de architectuur van de instructieset definiëren. En dan zijn er nog allerlei verschillende adoptie-opties:commercieel, open source, closed source, for profit, non-profit, geschreven in verschillende talen, afhankelijk van wat je favoriete logische capture-taal is.”

In dat opzicht benadrukte hij dat de OpenHW Group niet alleen over RISC-V-cores gaat. "Waar we ons echt op richten, is het ontwikkelen van de artefacten die nodig zijn voor heterogene clustercomputing die in verschillende groottes van SoC's kunnen worden gebruikt. Het clusteren van verschillende soorten cores, accelerators en alle verschillende blokken die we nodig hebben."

Dit is waar de RISC-V ISA een sleutelrol heeft gespeeld en "een nieuwe grens in innovatie heeft ontketend", stelt O'Connor. "Het heeft het voor iedereen toegankelijk gemaakt om een ​​kern aan elkaar te naaien, geen overeenkomsten om met iemand te ondertekenen. Download de ISA-specificaties en daar gaan we. Vanuit dat oogpunt is het een belangrijke factor geweest. Als je terugdenkt aan 20 jaar geleden, waren er vele, vele implementaties van de Linux-kernel - veel meer dan we nu hebben.

"Onze uitdaging voor de hardware-industrie is hoe we tot de vijf of zes families van kernimplementaties rond RISC-V komen die duurzaam zullen zijn."

Rob Oshana, vice-president software-engineering voor R&D bij NXP Semiconductors, suggereert dat open source hardware zich op vrijwel dezelfde manier zal ontwikkelen als open software. "Linux is echte broncode die duizenden ontwikkelaars gebruiken en waaraan ze op een collaboratieve manier bijdragen" via de Linux Kernel Archives.

“RISC-V International heeft een specificatie, geen implementatie. Deze specificatie is op een zeer collaboratieve manier geëvolueerd en het is bewezen dat het werkt gezien de huidige staat van de RISC-V-gemeenschap en het ecosysteem, "zei Oshana.

"Omdat de stichting geen open implementatie bezit, vult OpenHW Group die leemte op met het handvest om gratis, open, royaltyvrije implementaties te ontwikkelen, plus ander onderpand, net als Linux Foundation."

Nodig:community-ondersteuning, niet alleen een specificatie

Met de uitbreiding van open source van software naar hardware, is er een groeiende behoefte aan betrokkenheid van de gemeenschap of het ecosysteem van partners. “Elke open gemeenschap heeft verzorging, verzorging en voeding nodig. Iets in een Git gooien en het 'open' noemen, mislukt altijd. Er is een gemeenschap nodig', betoogde Oshana.

"OpenHW Group-kernen zouden niet succesvol zijn als de gemeenschap zich niet had ingespannen om kernen, boards, software en referentieplatforms te bouwen." OpenHW Group "maakt gebruik van best practices om deze hardwaretechnologie ook succesvol te maken", voegde hij eraan toe.

De sleutel is om gebruik te maken van best practices en "echte engineering in een duurzaam tempo te investeren om [hardwareontwikkeling] succesvol te maken en te houden", betoogde Oshana. "Elke distributie zal in sommige opzichten uniek zijn."

Ondertussen blijven open source-tools evolueren. "We hebben een betrouwbare set hardwaregebaseerde tools nodig om dit in de loop van de tijd te ondersteunen", merkte Oshana op. Hij en anderen suggereren dat de ware maatstaf van een open gemeenschap het niveau van betrokkenheid is. Zodra een implementatie bijvoorbeeld is uitgebracht, is een belangrijke maatstaf hoe de gebruikersgemeenschap omgaat met wijzigingsverzoeken, bugfixes en dergelijke. "Dit is het equivalent van het upstreaming-proces in Linux," zei Oshana. "De rol van de beheerder moet duidelijk zijn."

Dit gemeenschapsaspect wordt ook versterkt door Mark Himelstein, chief technology officer bij RISC-V International. “Linux was niet per se het beste besturingssysteem, maar waarom hebben mensen het geadopteerd? Omdat er een gemeenschap en ondersteuning is. De magie was de trots van eigendom. Het is nu een no-brainer om Linux te gebruiken, en met RISC-V denk ik dat we de Linux van hardware zijn. Ik geloof dat RISC-V over vijf tot tien jaar ook een no-brainer zal zijn voor hardware.”

Hardware moeilijker dan software

Open source hardware en software verschillen voornamelijk in termen van complexiteit over de hele stapel. "Kijk naar het grootste deel van het volume van het silicium dat vandaag in productie is - meer dan 95 procent van dat volume werd geproduceerd en geverifieerd in een op Verilog gebaseerde toolstroom en commerciële verificatie-infrastructuur voor die productierelease", zei O'Connor. "Dus als we willen dat iemand de kernen overneemt, moeten ze gemakkelijk in die commerciële toolstroom worden genaaid."

SoC-leveranciers gebruiken meestal de verificatieomgeving van SystemVerilog Universal Verification Methodology. "We gaan niet proberen ze iets anders te leren of te overtuigen om iets anders te gebruiken", zei O'Connor. "Als we echt willen dat RTL deze open source-blokken adopteert, moeten ze in die toolstroom kunnen vallen."

Toch levert de fysica van hardware problemen op waar softwareontwikkelaars niet mee te maken hebben. "Vanaf de fysica op het geometrieniveau in de halfgeleiderfabrieken, het recept achter dat fantastische proces", merkt O'Connor op, die werk op gebieden zoals procesontwerp op grotere knooppunten bemoedigend noemt.

“Je hebt het recept in de fab, de bibliotheken daarbovenop, de fysieke laag van die CAD-tools om GDSII te produceren en de maskertechnologie zelf; en dan de apparatuur om maskers te maken, en de simulatie- en verificatiesoftware en tools die je gebruikt om je ontwerp te valideren, de synthesetools die je gebruikt om je ontwerp vast te leggen en te synthetiseren, en dan de IP die in die ontwerpen gaat,' legde hij uit.

"Al die lagen in die stapel hebben diepe patentportfolio's die zijn gekoppeld aan elke laag, ontwikkeld in de loop van tientallen jaren. En er is zoveel verband tussen elk van die lagen. Dus proberen om de hele stack direct uit de poort te vervangen door open source-implementaties en tools is niet iets wat een commercieel bedrijf gaat proberen, "merkte O'Connor op.

De oprichters van de OpenHW Group hebben overwogen om een ​​ecosysteem te creëren dat specifiek gericht is op RISC-V-cores. Ze hebben uiteindelijk besloten dat niet te doen.

O'Connor zei dat hun eerste doel was om die kernen te maken. “Maar we doen het met een visie en mentaliteit van een visie rond het oplossen van uitdagingen op het gebied van implementatie van open source hardware. Met andere woorden, maak het gemakkelijk om heterogene clusters te bouwen met gemeenschappelijke bouwstenen, en je vermogen om het aan te passen met je eigen geheime saus-versnellers en uitbreidingen die eromheen zijn gebouwd."

Dat betekent samenwerken aan de gemeenschappelijke elementen en het definiëren van een interfacepunt op het niveau van softwaretools, op hardware-RTL-niveau en zelfs op verificatieniveau. “Je toegevoegde waarde is dan hoe je die gemeenschappelijke set bouwstenen aanpast om aangepaste versnelling toe te voegen, deze aangepaste heterogene clusters te bouwen die je geheime accelerator-algoritme implementeren. Het idee is dus dat RISC-V als een ISA ons in staat stelt aan de slag te gaan met dwingende gemeenschappelijke bouwstenen op het niveau van de processorkern, en daar vervolgens op voort te bouwen. Ondertussen maken we gebruik van de beste commerciële tools om de uitvoerders veel vertrouwen te geven.

"Dus het IP-adres is iets dat ze kunnen vertrouwen."

Hij voorspelt dat er binnenkort open source FPGA's zullen verschijnen, en uiteindelijk SoC's.

Commercieel perspectief

Andes Technology is een voorbeeld van hoe een commercieel bedrijf aansluit op een open source-infrastructuur. Het Taiwanese bedrijf heeft verschillende op RISC-V gebaseerde processors gelanceerd, met een aantal aangekondigde implementaties bij klanten.

Naast het ontwerpen in zijn RISC-V-kernen voor SK Telecom en Renesas, heeft Andes onlangs aangekondigd dat EdgeQ, een startup die een 5G-basisstationchips ontwikkelt, zijn kern-RISC-V-licentie zal gebruiken met een aangepaste Andes-extensie om een ​​open en programmeerbare 5G-platform met geïntegreerde AI. De aangepaste extensie zou EdgeQ in staat stellen om hun eigen instructiesets te ontwerpen, uit te breiden en aan te passen om nieuwe prestaties, functies en energieprofielen te bereiken waarvan ze beweren dat ze niet worden vervuld door de huidige draadloze infrastructuur.

Frankwell Lin

"RISC-V is voor ons een open source ISA voor de hardware-interface of beschrijving, geen open source core", zegt Frankwell Lin, president van Andes Technology. “In het RISC-V-kamp, ​​van bedrijf tot bedrijf, zijn we concurrenten. Wij werken samen op het niveau van de RISC-V standaarden. In de dagelijkse praktijk moeten we echter met elkaar concurreren.”

Andes heeft een decennium aan ervaring met embedded RISC-cores en een eigen ISA-architectuur. "Hoewel we 90 procent van onze middelen naar de ontwikkeling van RISC-V hebben verplaatst, hebben we nog steeds onze eigen kern, doen licentieactiviteiten en werken beide nog steeds," zei Lin.

Naast RISC-V merkte Lin de groeiende hoeveelheid open en industriestandaard hardwarecomponenten op. "In hardware is RISC-V niet de eerste die open source is." Het hardwarebeschrijvingsformaat van Verilog is bijvoorbeeld open source, grotendeels in overeenstemming tussen EDA-leiders Cadence en Synopsys, zei Lin.

Ook open zijn hardware-interfacestandaarden zoals PCIe, USB, OpenCL en OpenCV, evenals Bluetooth en WiFi voor connectiviteit.

Naarmate de lijst met open-hardwaretools groeit, is een belangrijke vraag of een basis vergelijkbaar met de Linux-kernel nodig is om de acceptatie van open-sourcehardware te stimuleren. Net als bij Linux zijn community-ondersteuning en individuele bedrijfsbijdragen cruciaal.

Toch maken zware investeringen in ontwerptools en productieapparatuur open source hardware moeilijk te verkopen. Die hindernissen betekenen dat hardwareblokken eenvoudig moeten worden geïntegreerd met bestaande gereedschapsketens om de veel grotere complexiteit op elke laag van hardwareontwerp en -productie aan te pakken.

>> Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op onze zustersite, EE Times.

Verwante inhoud:

• Open source GPU bouwt voort op RISC-V
• Open-source referentiebord richt zich op snelle inzet van medische ventilatoren
• Perspectieven op de evolutie van Arduino
• Waarom het Yocto-project voor mijn IoT-project?
• Ontwerpen van open-source slimme landbouwsystemen

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.