FPGA能否推动开源硬件？

中心议题
     *FPGA对开源源硬件的作用


开源并不只是软件的专利。然而与开源软件已深入人心并实现商用不同,开源硬件更多的停留在概念层面,尤其在中国,关心的人并不多。 然而开源硬件的确是个有趣而且有意义的话题,当开源软件正在改变世界时,硬件的开源又会引发哪些变化？

2006年Sun公开其UltraSparc芯片的设计细节,以便Linux操作系统和各种版本的BSD Unix操作系统更容易地与其兼容。另外,Sun公司总裁Jonathan Schwartz还宣布Sun将使用GPL（General Public License）来管理芯片设计的公开发布。 凭借Sun在产业界的地位,Sun的这个举动在当时将开源硬件推向人们注意力的焦点。然而传统的半导体厂商对此响应者廖廖,FPGA厂商赛灵思因其特殊的角色而大声呼吁,并且将之带到了中国,但其做法能否推动开源硬件在中国的发展？

开源硬件悄然兴起 2008年4月20日,在无锡国家集成电路设计基地,一群电子工程相关专业的大学生收获着自己辛勤努力的成果——在赛灵思举办的“中国电子学会Xilinx开放源码硬件创新大赛”中取得各种奖项。必须承认,这些迸发着灵感的设计还是稚嫩的,但也许这些学生自己也不清楚,他们是在见证一段注定要被记住的历史——开源硬件在中国的艰难前行。 随着芯片设计越来越向SOC方向迈进,即在一个芯片中集成很多现有的IP核,以快速设计出系统。这时,IP核的可重用性和可更改性就成了最关键的问题,而开放源码的IP核无疑在这方面具有先天优势。

1998年,Delft University of Technology 的一些学生和老师在互联网上发起Open Design Circuits Group, 目的是开放电路设计并把它发布在网上,尽管这个小组的活动日渐稀少,但却引发了日后两个著名的开源硬件网站的产生：Opencores 和 OpenIPcore（2000年时,OpenIPcore 合并入Opencores）。越来越多的学校学生选择把他们的设计公布到网上,并把许多功能集成到一起,以期完成很复杂的功能。 中国有案可查的开放源码硬件项目是2001年3月启动的OpenARM项目,在“中国芯”盛行的那几年里,不少学校和研究单位参考开放源码的处理器设计了自己的微处理器,这个时期,中国利用开放源码硬件的资源进行IC设计的方法开始悄然流行。

未来将是Designless 但就像Linux的蓬勃发展,部分得益于IBM 等大公司的积极推动,开源硬件的发展,也离不开相关硬件厂商的支持。赛灵思公司大学计划部中国区经理谢凯年告诉电子工程世界,赛灵思会一直推动开源硬件,而开源硬件设计大赛只是推动的手段之一。 商家从来都是无利不起早,赛灵思自然也不是在做公益事业。

从中国工程院院士许居衍的论文《半导体特征循环与可重构芯片》中,我们可以找到端倪。根据许居衍提出的“许氏循环”,半导体产品的主要特征将沿着“通用”与“专用”循环波动,每十年一次,从2018~2028年,将会重新走向通用。　 许居衍的判断依据是,因为“可重构计算是一个难度颇大、涉及面甚广的课题,尽管当前很多人在研究,但是无论在器件结构、系统结构还是在设计方法学方面,均存在不少问题,仍有很长的路要走。我们相信,可重构计算技术的发展,终将推动主流应用进入U-SoC通用波动,仅仅通过对“毛坯芯片” (Raw Chip)的配置编程就可以得到用户自定义的功能电路,从而引导半导体产业结构演变,促进不做芯片设计而专事芯片应用创新的Designless 商业模式的新兴起。” 所谓的Designless,就是根本无需设计,自动生成集成电路,工程师只需要关注在应用和功能上即可。但要实现Disignless的前提是必须软硬件都开放,因为如果只开放软件,你不知道细节,因此还是无法生成一个设计。 因此,许居衍提出了“从MPU的‘软’编程到FPGA的‘硬’编程看,一个逻辑的发展应是‘硬’、‘软’均可编程,即算法可编程、可重构器件也可编程的U-SoC。”

谢凯年认为,这意味着FPGA是极有前途的,因为现在只有FPGA才能做到在软硬件间游刃有余。事实上也是如此,与开放源码软件的完全免费不同,开放源码硬件最终要物理实现才能验证其设计是否达到预期目的。可编程逻辑器件特别是FPGA, 因其快速灵活、初期投入成本低廉,而成为开放源码硬件最适合的开发平台。可以看到的是,Opencores的设计主要都是在FPGA上进行。

开源硬件挑战重重 虽然FPGA为开源硬件的发展起到了基础和推动的作用,但我们也很清楚,开源硬件的发展还在面临很多挑战。事实上,虽然开源硬件从诞生到现在已将近10年,很多人付出了大量努力,但至今采用开放源码硬件运用在实际应用系统中的案例几乎没有。

究其原因,开放源码硬件面临的问题和挑战主要有： 1)免费EDA工具的获取。尽管有Alliance 和 gEDA 等EDA工具可供使用,但它的功能和易用性和商业EDA软件相比还是不能相提并论。 2)板卡制造成本。自己制作一块FPGA原型系统板的成本是相当可观的。 3)上市时间。在电子产品数月就换代的时代,上市时间是电子系统设计的一个关键因素,即使是采用商业IP, 都有可能遇到意想不到的整合问题;而目前开放源码硬件在文档完备性,稳定性上,技术支持方面存在的诸多问题,更是使务实的设计者望而确步。 4)软件丰富性和工具链问题。如果采用开放源码的处理器,这就意味着从指令集到编译器到调试器都是重新开发的,几乎所有的软件都需要移植和重新编译,这使得开放源码的处理器的开发尤其困难。如果设计实际系统,人们更关心的是如何能解决问题。 5)厂商支持。正是由于这些挑战的存在,开放源码硬件的活动目前更多的集中在大学和研究机构中,尤其在不发达国家中,更多起着硬件设计知识传播的作用。

不过,谢凯年对电子工程世界说,中国其实是最适合学习开源硬件,因为中国的IP保护相较很多国家还是较弱。 就像开源软件在中国已拥有大量拥趸,开源硬件也终将迎来那一天。