Kann Open-Source-Hardware mit dem Erfolg von Linux mithalten

Dieses Jahr ist der 30 ^. Jahrestag der Veröffentlichung des Linux-Kernels. Als Grundlage der Open-Source-Softwarebewegung hat der Open-Source-Code Hunderte von Projekten hervorgebracht, die kostenlose, öffentliche Linux-Distributionen verwenden. Das Ergebnis ist eine lange Liste robuster, stabiler und flexibler Produkte.

Kann derselbe Ansatz angesichts seines Erfolgs auf die Einführung von Open-Source-Hardware angewendet werden? Kann eine Befehlssatzarchitektur (ISA) wie RISC-V die Grundlage für die Verbreitung von Open-Source-Hardware schaffen, so wie der Linux-Kernel als Grundlage für Open-Source-Software diente?

Die Antwort ist sowohl ja als auch nein.

Die Architektur des Augenblicks, RISC-V, ist offen und als Standard verfügbar, was Freiheit, Flexibilität und Geschwindigkeit bei der Entwicklung von Produkten um sie herum ermöglicht. Die Kehrseite ist jedoch, dass die Hardware komplexer ist, und mit mehreren Schichten im Stapel ist dies nicht so einfach wie der Versand eines Softwarepakets.

Wir haben Stakeholder im RISC-V-Hardware-Ökosystem befragt – OpenHW Group, RISC-V International, NXP Semiconductors und Andes Technology. Wir untersuchen die Ähnlichkeiten mit Open-Source-Software, Hindernisse für die Einführung von Open-Source-Hardware und die Bedeutung einer Support-Community und eines Ökosystems.

Abschließend betrachten wir:Was bedeutet Open Source Hardware für kommerzielle Chiphersteller?

Qualität und Support-Ökosystem sind der Schlüssel

Rick O'Connor, Präsident und CEO der OpenHW Group, setzt RISC-V mit dem Linux-Kernel gleich „Die RISC-V-ISA ist wirklich das, was der Kernel für Linux am Anfang war, und andere Open-Source-Softwareprojekte und -Initiativen entstanden als ein Ergebnis“, sagte O'Connor gegenüber EE Times . „Sicher war der Kernel vor 20 Jahren der Seed auf der Software-Seite, und der ISA ist, glaube ich, auf der Hardware-Seite derselbe Seed.“

Rick O'Connor

Dennoch bleiben Markteintrittsbarrieren bei der Einführung von Open-Source-Hardware bestehen. „Eine davon ist sicherlich Qualität“, fügte O’Connor hinzu. „Wenn Sie zum Beispiel in einem Chip- oder SoC-Unternehmen [System-on-Chip] mit hohem Volumen arbeiten, werden Sie nicht in das Büro Ihres Chefs gehen und Ihr Badge auf diesen heruntergeladenen IP-Block wetten und sagen ‚Wir‘ 're ready to go' basierend auf diesem coolen Kern von einer Universität, und wir sollten ihn in unseren hochvolumigen SoC stecken.'“

Daher befürwortet die Gruppe einen offenen Verifizierungsfluss, „den die Leute nutzen und die Qualität und die Ergebnisse sehen können, die das Ökosystem erreicht hat, und [dann] das produzieren, was von einem SoC-Unternehmen mit hohem Volumen erwartet würde, wenn sie es vollständig auf ihrem eigenen Weg tun würden besitzen“, sagte O'Connor.

Die Gruppe stellt auch Missverständnisse der Branche über RISC-V und die Rolle von RISC-V International fest, der Stiftung, die die ISA-Kernspezifikation überwacht.

„Die Leute dachten immer, dass es bei der Stiftung um die Entwicklung von Kernen gehe“, sagte O’Connor. "Es ist nicht. Es geht darum, eine Reihe von Spezifikationen zu entwickeln, die die Befehlssatzarchitektur definieren. Und dann gibt es alle Arten von verschiedenen Übernahmeoptionen:kommerziell, Open Source, Closed Source, gewinnorientiert, gemeinnützig, in verschiedenen Sprachen geschrieben, je nachdem, was Ihre bevorzugte Logikerfassungssprache ist.“

In diesem Zusammenhang betonte er, dass es der OpenHW-Gruppe nicht nur um RISC-V-Kerne gehe. „Unser Hauptaugenmerk liegt auf der Entwicklung der Artefakte, die für heterogenes Cluster-Computing benötigt werden und in verschiedenen Größen von SoCs verwendet werden können. Clustering verschiedener Arten von Kernen, Beschleunigern und all den verschiedenen Blöcken, die wir brauchen.“

Hier hat der RISC-V ISA eine Schlüsselrolle gespielt und "eine neue Grenze der Innovation" freigesetzt, behauptet O'Connor. „Es ist für jeden zugänglich, einen Kern zusammenzufügen, ohne Vereinbarungen mit irgendjemandem zu unterzeichnen. Laden Sie die ISA-Spezifikationen herunter und los geht's. Aus dieser Sicht war es ein Schlüsselfaktor. Wenn Sie sich vor 20 Jahren erinnern, gab es viele, viele Implementierungen des Linux-Kernels – weit mehr als wir heute haben.

„Unsere Herausforderung für die Hardwareindustrie besteht darin, wie wir zu den fünf oder sechs Familien von Kernimplementierungen rund um RISC-V gelangen, die nachhaltig sind.“

Rob Oshana

Rob Oshana, Vice President of Software Engineering for R&D bei NXP Semiconductors, schlägt vor, dass sich Open-Source-Hardware ähnlich entwickeln wird wie offene Software. „Linux ist tatsächlicher Quellcode, den Tausende von Entwicklern verwenden und auf kollaborative Weise dazu beitragen“ über die Linux-Kernel-Archive.

„RISC-V International besitzt eine Spezifikation, keine Implementierung. Diese Spezifikation wurde auf sehr kollaborative Weise entwickelt und hat sich angesichts des aktuellen Zustands der RISC-V-Community und des Ökosystems bewährt“, sagte Oshana.

„Da die Foundation keine offene Implementierung besitzt, füllt die OpenHW Group diese Lücke mit der Charta zur Entwicklung kostenloser, offener, gebührenfreier Implementierungen sowie anderer Sicherheiten, genau wie bei der Linux Foundation.“

Benötigt:Community-Unterstützung, nicht nur eine Spezifikation

Mit der Ausweitung von Open Source von Software auf Hardware wächst der Bedarf an der Beteiligung der Community oder des Partner-Ökosystems. „Jede offene Gemeinschaft erfordert Pflege, Pflege und Ernährung. Etwas in ein Git zu werfen und es „offen“ zu nennen, schlägt immer fehl. Es braucht eine Gemeinschaft“, argumentierte Oshana.

„Die Kerne der OpenHW-Gruppe wären nicht erfolgreich, wenn es nicht die Bemühungen der Community gäbe, Kerne, Boards, Software und Referenzplattformen zu bauen.“ OpenHW Group „nutzt Best Practices, um auch diese Hardwaretechnologie erfolgreich zu machen“, fügte er hinzu.

Der Schlüssel liegt darin, Best Practices zu nutzen und „in echter Technik nachhaltig zu investieren, um die [Hardware-Entwicklung] erfolgreich zu machen und aufrechtzuerhalten“, argumentierte Oshana. „Jede Verteilung wird in gewisser Weise einzigartig sein.“

In der Zwischenzeit entwickeln sich Open-Source-Tools weiter. „Wir brauchen einen zuverlässigen Satz hardwarebasierter Tools, um dies im Laufe der Zeit zu unterstützen“, bemerkte Oshana. Er und andere schlagen vor, dass das wahre Maß einer offenen Gemeinschaft das Maß an Engagement ist. Sobald eine Implementierung veröffentlicht wurde, ist beispielsweise eine wichtige Kennzahl, wie die Benutzergemeinschaft Änderungsanfragen, Fehlerkorrekturen und dergleichen verwaltet. „Dies entspricht dem Upstreaming-Prozess in Linux“, sagte Oshana. „Die Rolle des Betreuers muss klar sein.“

Mark Himelstein

Dieser Community-Aspekt wird auch von Mark Himelstein, Chief Technology Officer bei RISC-V International, verstärkt. „Linux war nicht unbedingt das beste Betriebssystem, aber warum haben die Leute es übernommen? Weil es eine Gemeinschaft und Unterstützung gibt. Die Magie war der Stolz des Besitzers. Es ist jetzt ein Kinderspiel, Linux zu verwenden, und mit RISC-V sind wir meiner Meinung nach das Linux der Hardware. Ich glaube, dass RISC-V in fünf bis zehn Jahren auch für Hardware ein Kinderspiel sein wird.“

Hardware härter als Software

Open-Source-Hardware und -Software unterscheiden sich im gesamten Stack vor allem in ihrer Komplexität. „Schauen Sie sich den Großteil des heute in der Produktion befindlichen Siliziumvolumens an – mehr als 95 Prozent dieses Volumens wurden in einem Verilog-basierten Toolflow und einer kommerziellen Verifikationsinfrastruktur für diese Produktionsfreigabe produziert und verifiziert“, sagte O’Connor. „Wenn wir also möchten, dass jemand die Kerne übernimmt, müssen sie einfach in diesen kommerziellen Tool-Flow eingebunden werden.“

SoC-Anbieter verwenden meistens die SystemVerilog Universal Verification Methodology-Verifizierungsumgebung. „Wir werden nicht versuchen, ihnen beizubringen oder sie davon zu überzeugen, etwas anderes zu verwenden“, sagte O’Connor. „Wenn wir wirklich wollen, dass diese Open-Source-Blöcke von RTL übernommen werden, müssen sie in diesen Tool-Flow fallen können.“

Dennoch wirft die Physik der Hardware Probleme auf, mit denen Softwareentwickler nicht konfrontiert sind. „Direkt von der Physik auf Geometrieebene in den Halbleiterfabriken, das Rezept hinter diesem Fabrikationsprozess“, bemerkt O’Connor, der Arbeiten in Bereichen wie dem Prozessdesign an größeren Knoten als ermutigend anführt.

„Sie haben das Rezept in der Fab, darüber hinaus die Bibliotheken, die physische Schicht dieser CAD-Tools zur Erstellung von GDSII und die Maskentechnologie selbst; und dann die Ausrüstung zur Herstellung von Masken und die Simulations- und Verifizierungssoftware und Werkzeuge, die Sie verwenden, um Ihr Design zu validieren, die Synthesewerkzeuge, die Sie verwenden, um Ihr Design zu erfassen und zu synthetisieren, und dann das geistige Eigentum, das in diese Designs einfließt“, erklärte er.

„Alle diese Schichten in diesem Stapel verfügen über tiefe Patentportfolios, die mit jeder Schicht verbunden sind und über Jahrzehnte entwickelt wurden. Und es gibt so viele Verbindungen zwischen jeder dieser Schichten. Der Versuch, den gesamten Stack von Anfang an durch Open-Source-Implementierungen und -Tools zu ersetzen, wird also kein kommerzielles Unternehmen versuchen“, bemerkte O’Connor.

Die Gründer der OpenHW-Gruppe überlegten, ob sie ein speziell auf RISC-V-Kerne ausgerichtetes Ökosystem schaffen sollten. Sie haben sich letztendlich dagegen entschieden.

O’Connor sagte, ihr erstes Ziel sei es, diese Kerne zu erstellen. „Aber wir tun dies mit der Sicht und Denkweise einer Vision zur Lösung der Herausforderungen bei der Implementierung von Open-Source-Hardware. Mit anderen Worten, machen Sie es einfach, heterogene Cluster mit gemeinsamen Bausteinen zu erstellen und sie mit Ihrer eigenen geheimen Soße zuzuschneiden – Beschleuniger und Erweiterungen, die darauf aufgebaut sind.“

Dazu gehört die Zusammenarbeit an den gemeinsamen Elementen und die Definition eines Schnittstellenpunkts auf Software-Tools-Ebene, auf Hardware-RTL-Ebene und sogar auf Verifikationsebene. „Ihr Mehrwert besteht dann darin, wie Sie diesen gemeinsamen Satz von Bausteinen modifizieren, um eine benutzerdefinierte Beschleunigung hinzuzufügen, diese benutzerdefinierten heterogenen Cluster zu erstellen, die Ihren geheimen Beschleunigungsalgorithmus implementieren. Die Idee ist also, dass wir mit RISC-V als ISA mit überzeugenden gemeinsamen Bausteinen auf Prozessorkernebene beginnen und dann darauf aufbauen können. Dabei werden die besten kommerziellen Tools genutzt, um den Implementierern ein hohes Vertrauen zu vermitteln.

„Der IP ist also etwas, dem sie vertrauen können.“

Er sagt voraus, dass bald Open-Source-FPGAs und schließlich SoCs auftauchen werden.

Kommerzielle Perspektive

Andes Technology ist ein Beispiel dafür, wie sich ein kommerzielles Unternehmen in eine Open-Source-Infrastruktur einfügt. Das taiwanesische Unternehmen hat mehrere RISC-V-basierte Prozessoren mit einer Reihe von angekündigten Kundenimplementierungen auf den Markt gebracht.

Neben dem Design in seinen RISC-V-Kernen für SK Telecom und Renesas hat Andes kürzlich angekündigt, dass EdgeQ, ein Startup, das 5G-Basisstationschips entwickelt, seine RISC-V-Kernlizenz mit einer benutzerdefinierten Andes-Erweiterung verwenden wird, um ein offenes und programmierbares 5G-Plattform mit integrierter KI. Die benutzerdefinierte Erweiterung würde es EdgeQ ermöglichen, ihre eigenen Befehlssätze zu entwerfen, zu erweitern und anzupassen, um neuartige Leistung, Funktionen und Energieprofile zu erreichen, die ihrer Meinung nach von der aktuellen drahtlosen Infrastruktur nicht erfüllt werden.

Frankwell Lin

„RISC-V ist für uns eine Open-Source-ISA für die Hardware-Schnittstelle oder -Beschreibung, kein Open-Source-Kern“, sagte Frankwell Lin, Präsident von Andes Technology. „Im RISC-V-Lager sind wir von Unternehmen zu Unternehmen Konkurrenten. Wir kooperieren auf der Ebene der RISC-V-Standards. Im Tagesgeschäft müssen wir uns jedoch gegenseitig Konkurrenz machen.“

Andes wirbt für ein Jahrzehnt Erfahrung mit eingebetteten RISC-Kernen sowie einer proprietären ISA-Architektur. „Obwohl wir 90 Prozent unserer Ressourcen in die RISC-V-Entwicklung verlagert haben, haben wir immer noch unseren proprietären Kern, das Lizenzgeschäft, und beide funktionieren immer noch“, sagte Lin.

Neben RISC-V stellte Lin die wachsende Menge an offenen und branchenüblichen Hardwarekomponenten fest. „Bei der Hardware ist RISC-V nicht das erste Open Source.“ Zum Beispiel ist das Hardwarebeschreibungsformat von Verilog Open Source, weitgehend durch eine Vereinbarung zwischen den EDA-Führungskräften Cadence und Synopsys, sagte Lin.

Offen sind auch Hardware-Schnittstellenstandards wie PCIe, USB, OpenCL und OpenCV sowie Bluetooth und WiFi für die Konnektivität.

Da die Liste der Open-Hardware-Tools wächst, stellt sich die Schlüsselfrage, ob eine dem Linux-Kernel ähnliche Grundlage erforderlich ist, um die Einführung von Open-Source-Hardware voranzutreiben. Wie bei Linux sind Community-Support und individuelle Unternehmensbeiträge entscheidend.

Dennoch machen hohe Investitionen in Designtools und Produktionsausrüstung Open-Source-Hardware zu einem harten Verkaufsschlager. Diese Hürden bedeuten, dass Hardwareblöcke leicht in bestehende Toolketten integriert werden müssen, um die weitaus größere Komplexität auf jeder Ebene des Hardwaredesigns und der Produktion zu bewältigen.

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am unsere Schwesterseite EE Times.

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