第3期 2021/02/26
開源——不再僅僅是軟件
作者：Kevin Krewell
更新時間：2021年2月2日
在硬件設計領域里，“開源”這個詞具有多種含義：它既可以指開放的規范、開放/自由設計文件/RTL、超出保護期的專利/版權設計，也可以指代開發商決定終止支持的設計——或者被稱為被放棄的設計。
因此，開源硬件的價值差異很大。很多原始的開源硬件項目規模很小，對芯片設計業務的影響非常有限。而RISC-V（英文發音為“risk five”）則可能是其中最著名，也是對這個行業影響最大的一個項目——盡管它并不是第一個開源的硬件項目。
RISC-V改變了游戲規則。
這個開源芯片項目始于加州大學伯克利分校的一個學術項目，該校還曾經創造了第一款精簡指令集計算機（RISC）CPU：RISC-1。David Patterson是該架構的創始人之一，他撰寫的關于RISC的研究論文可謂影響深遠。RISC-1一躍成為Sun Micro SPARC處理器。在上個世紀八十年代，RISC證明了新的處理器架構足以支持建立有生存能力的公司。
RISC-V最初是作為教學和研究工具出現的。該指令集的設計非常干凈、簡單、現代，而且沒有知識產權方面的麻煩。開放的模式允許研究人員構建芯片，擴展架構并探索新的指令。對于研究生來說，它也是一種非常容易上手的設計工具。
該校的團隊對于RISC在公共領域的態度非常寬松。其他人開始使用它。結果是學者們和研究人員們圍繞著RISC-V建立起了一個生態系統。然后，伯克利團隊為正式開發和尋求社區意見奠定了基礎。最早的行業推廣活動出現在2014年的Hot Chips會議上，當時的展示是用一個臺式顯示器進行的。從那時候起，該項目便如同滾雪球一般迅速成為了一股席卷全球的力量。
該基金會更名為RISC-V International，并已經將總部遷往瑞士的日內瓦——此舉象征著中立立場。RISC-V International基金會的首席執行官Calista Redmond將RISC-V描述為開放標準體系結構。該組織還宣稱沒有特定的CPU作為開源設計。相反，它是一個指令集和行為規范，一直發展到一定程度，然后凍結。
RISC-V就像是積木，企業可以在它上面添加擴展。實施者可以自行決定是否要將他們的CPU內核作為開源發布，他們也可以收取內核使用費，或者結合使用兩種模式。
該標準是開放的，但是基于該標準構建的CPU設計則不一定要是開放的或免費的。在開放設計方面，西部數據（Western Digital）公司開發了SweRV內核，供內部的閃存陣列存儲控制器使用。然后，該公司開源了該內核。
因此，RISC-V提供了一個嶄新的、入門門檻低并且更加干凈的架構，而且這個架構具備了很好的靈活性。
RISC-V的一個問題是指令集的碎片化，但是基本體系架構已經足以應對標準化軟件開發。該指令集還可以通過廣泛的社區參與受益——有五十名委員一直致力于設計和生態系統里方方面面的工作。
RISC-V開放式規范的另一個優點是消除了對架構授權的需求，而用戶在設計自己的CPU內核時，如果使用的是Arm或者MIPS IP則有可能需要這類授權。盡管Arm確實提供了一些免費的開發內核，但是設計人員們仍然必須使用Arm設計的內核，并為已經出貨的產品支付專利使用費。絕大多數商業芯片仍然在使用授權的內核。
即使開發人員愿意選擇預制CPU授權，他們也有更多的知識產權選擇。
例如，臺灣的晶心科技股份有限公司（Andes Technology Corp.）已經開發了可授權的RISC-V內核。幾位RISC的先驅創建了SiFive，它是開發授權的、開源可定制CPU，該公司的商業模型是建立在設計服務的基礎之上，并提供具有商業功能（如跟蹤，調試和安全選項）的知識產權。類似于Red Hat和SUSE之類通過Linux發行獲利的公司，設計公司可以通過提供定制化和支持CPU知識產權的方式，通過RISC-V獲利。
技術主權
隨著技術冷戰的興起，技術主權是另一個新出現的知識產權問題。就RISC-V而言，沒有一個國家控制了這項知識產權。因此，無法在貿易糾紛中單獨阻止某人使用該指令集。
目前，RISC-V生態系統也已成為其他開源設計的重點。例如，一個名為libreSoC的小組正在開發基于RISC-V的開源GPU。他們的目標是混合CPU、VPU和GPU。
實際上，RISC-V并不是第一個開源硬件存儲庫。在它之前有Open Cores，該站點允許開發人員“查看、下載、重用和共享網關軟件設計”。這些項目包括實際的電路設計，但大多數都是模糊的學術項目或者是已經不再延續的知識產權，這些知識產權被稱為“廢棄的設計”。這些內核缺乏強大的、可擴展的社區支持，只能供業余愛好者和學者們使用。
其他開放式CPU體系結構還包括IBM Power和Sun Microsystems / Oracle SPARC。
OpenSPARC項目開始于2005年。該站點根據GNU通用公共許可證提供了針對SPARC T1 / T2內核的RTL。它們是小型、多線程內核，非常適合大吞吐量的運算。
另一個項目是歐洲航天局開發的LEON CPU內核。這個32位的SPARC V8內核具有兩種不同的授權。Oracle結束了SPARC的開發之后，對該架構的興趣就減弱了。
IBM于2013年與谷歌、泰安電腦（Tyan）、英偉達（Nvidia）和Mellanox合作，共同創立了Open Power Foundation。該機構最初的目標是提供能夠在服務器和HPC領域抗衡英特爾處理器的替代方案。但是該項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，一家中國的公司——蘇州中晟宏芯信息科技有限公司開發了Power處理器。在Arm服務器和AMD的Epyc處理器進入市場挑戰了英特爾的統治地位之后，對該項目的興趣也減弱了。該項目仍在發展，但是進展緩慢。
去年9月，IBM貢獻了A2O Power處理器內核，這是對A2I內核的無序跟進。A2O是64位的CPU，具有強勁的單線程性能，能夠達到4 GHz時鐘速度，并使用了7納米工藝。OpenPOWER項目還刺激了相關的接口標準項目，例如OpenCAPI和OMI（Open Memory Interface，開放內存接口）。
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交給了設計社區。OpenPOWER設計功能強大，但是缺乏包括浮點單元在內的完整平臺。而且，它們仍然高度依賴IBM的支持。
最近，Linux基金會發起了一個名為CHIPS Alliance的項目，試圖為開源硬件生態注入活力。在12月，該組織宣布將與RISC-V International合作，為重數據應用程序提供標準化的、開放的、統一存儲一致性總線。
必需的多樣性
為了取得成功，開源知識產權需要一個強大的、多元化的社區在背后支持。還需要一個開放的生態系統，能夠重視對體系架構的貢獻，同時為新的開發提供交流中心。這樣，開源知識產權項目才能夠最終與授權內核和專有架構競爭。
RISC-V項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到被市場接受的關鍵水平。
盡管如此，RISC-V是否能夠取得長期的成功仍然不能確定，而世界領先的知識產權供應商——Arm也不會很快消失。如果能夠通過被英偉達（Nvidia）收購的反壟斷審查，Arm的商業模式可能會出現重大的調整。到目前為止，英偉達已經保證將保持Arm的商業模式不變。
Arm仍可能采用混合知識產權授權的模式，但擴展可能僅限于蘋果公司等大型架構被授權人。
同時，RISC-V將繼續吸引更多的投資和人才。開源體系結構最初的成功大部分來自微控制器。隨著它進入應用程序和數據中心處理器的性能提升，開源體系架構將不得不同根深蒂固而又無處不在的Arm生態系統進行競爭。
本文章選自《AI啟示錄》雜志，閱讀更多雜志內容，請掃描下方二維碼
