开源硬件风险

从芯片和底层基础设施，到支持开源和混合开源与专有设计所需的生态系统，开源硬件在各个领域都受到了关注。

开源开发并不是一个新话题。在Linux世界中，这已被证明是一种成功的策略，但在硬件方面却远非如此。在中国经济放缓的推动下，这种情况正开始改变摩尔定律例如，不断上升的设计成本，以及在异构设计中对更专门的处理元素的需求日益增长。这也引发了一长串的问题，从基本的定义开始，这些问题在过去基本上被忽略了，因为使用现成的专有解决方案比使用开源硬件更简单。

谷歌Cloud的OpenTitan负责人Dominic Rizzo说:“开源硬件是开源芯片，但开源硬件也可能意味着我们在OCP(开放核心协议)中看到的那种开放原理图或PCB设计。”“也有开源硬件规范，但与开源硬件设计附带品的兴起相比，这些变化并不大。从某种意义上说，RISC-V ISA是一种开放开发的ISA规范，而大多数流行的ISA通常是封闭的。还有一些其他的开放isa，如OpenPOWER或MIPS，但所有这些的实现往往都是黑盒子。”

Rizzo指出，RISC-V的不同寻常之处在于开源社区团结在它周围的方式。“我们看到越来越多可靠的开源白盒硅设计，如Ariane、Ibex和OpenTitan SoC构建在RISC-V开放ISA之上。”

开源硬件协会维护了一个跨各种应用领域的认证开源硬件项目列表。如本文所述，硬件许可更多地依赖专利法而不是版权法。版权许可可以控制源代码或设计文件的分发，而专利许可可以控制根据设计文件构建的物理设备的使用和制造。

微软的产品管理和营销高级集团总监Frank Schirrmeister指出，一些许可证明确规定，受益于开放硬件许可证设计的用户不得提起诉讼，声称设计侵犯了他们的专利或其他知识产权节奏．

RISC-V基金会主席兼SiFive首席架构师Krste Asanovic在上个月的RISC-V峰会上强调，像RISC-V这样的开放标准与开源硬件之间存在差异，开源硬件是RTL中一些硬件块的源代码。

“当我们开始RISC-V时，我们看到了对开放标准的需求，”Asanovic说。“在伯克利，我们还开发了该标准的开源实现。但到目前为止，最有价值的东西是开放标准。没有开放标准，就不可能有开源硬件。但在这个行业中，我们有数百个开放标准也是事实。开放标准是最大的价值所在。开源硬件是由它来实现的，而且是在更早的阶段。开放标准在整个行业中被广泛接受和使用，而标准的开源硬件实现则是一个相对较新的事物。再次强调，RISC-V的关键在于它是一个开放标准。它使很多事情成为可能，因为你需要一个处理器在任何硬件平台上运行软件。 That’s why there is an upsurge of interest in open-source hardware, because the ISA open standard enables people to build open-source hardware.”

rak Brinkmann，公司总裁兼首席执行官OneSpin解决方案，认为开源硬件是可以从存储库或其他公共站点免费获得的设计内核，很可能是以RTL的形式。“任何人都可以下载、使用或修改这些核心，”他说。“开源内核的质量将会有很大的不同，如果它们不起作用，很可能没有人会起诉。因此，使用开源核心是有风险的，但也有既定的流程和程序来大大降低风险。”

收购商业时所采取的许多技术和法律步骤知识产权也适用于开源。例如，用户必须尽可能多地审查设计人员，并且必须充分了解技术领域，以了解潜在的专利问题。他们还必须尽可能多地了解核的验证和验证，它在实际硅中的使用，以及其他有助于筛选可疑设计的信息。

“最重要的是，用户必须自己验证核心，”布林克曼说。“有很多工具可以用来判断设计的质量，从发现编码错误到正式证明符合相关标准。的验证执行必须包括全面的设计完整性，超出功能正确性，包括安全、保障和信任。有了这种级别的验证和良好的审查程序，开源内核是一个有吸引力和合适的设计选择。”

Schirrmeister同意了。“从验证的角度来看，RISC-V领域的主要技术问题不在于它是否是开源的，而在于RISC-V的衍生品和修改，以及在设计被修改后需要重新验证设计。这里的关键变化是谁来进行验证。对于RISC-V的“标准”版本，我们目前看到一个生态系统正在发展，许多公司为生成特定应用程序指令集处理器的工具提供标准配置或模板的实现。对于这些标准的实施，这些公司有效地成为了新型的半导体IP提供商，并在任何更改之前覆盖了相当一部分的验证。”

没有免费的
这与免费IP不同。RISC-V的真正成本包括验证对设计所做的任何更改。Schirrmeister说:“这个成本可能很大。“例如，商业供应商公开表示，除了正式技术之外，他们平均每个IP都要经过5万亿到6万亿的模拟器周期和2到3千万亿的FPGA系统验证。尽管添加指令以减少内存和专用硬件加速器的需求可能很有吸引力，但一旦对处理器进行了修改，就需要添加新的测试，并需要重新运行回归，以确保添加的操作没有在设计的其他领域引入缺陷。需要正式的和动态的引用模型，并且需要对它们进行增强，以允许检查用户可能做出的更改。最重要的是，验证RISC-V设计的工作很容易被低估，尤其是在配置发生变化的情况下。遵守ISA是重要和必要的，但肯定还不够。”

除此之外，今天使用的工具正在得到增强，并使其适用于最终用户的验证需求。这为EDA提供了巨大的机会，无论是核心处理器还是解决方案堆栈，都可以将处理器集成到片上系统环境中。此外，Schirrmeister表示，受客户需求的驱动，目前已上市的处理器可能会随着时间的推移进行更新，以支持RISC-V等开源硬件。

图1:这个软件堆栈涵盖了启动、用例测试、剖析、调试、集成、性能分析和协议验证。来源:节奏

围绕RISC-V ISA的活动已经把焦点放在了开源运动的其他高调支持者身上。例如，谷歌正在投资硅级的开源硬件。里佐说:“去年11月，我们向全世界介绍了OpenTitan项目。OpenTitan是第一个开源信任硅根(RoT)。它将提供高质量的RoT设计和集成指南，用于数据中心服务器、存储、外围设备等。开源硅设计使其更加透明、值得信赖，并最终更加安全。硅RoT技术可用于服务器主板、网卡、客户端设备(如笔记本电脑和手机)、消费者路由器、物联网设备等。我们希望它能在未来几年对多个行业产生深远影响。”

Rizzo认为，通过OpenTitan的RoT从专有实现转向开放实现，最大的收益之一是云计算。“我们大胆的目标是消除对栈底层专有实现的信任需求。”

其他开源平台也是如此。IBM OpenPOWER处理器启用总监Mendy Furmanek在RISC-V峰会的一个小组会议上指出，OpenPOWER基金会成立于2013年，重点是从系统级开始构建POWER生态系统。“它为其他人在IBM构建的系统之外构建POWER系统提供了参考设计，因此我们专注于开放整个固件堆栈和软件堆栈。进入2019年，我们进入了下一步，说是时候开放指令集架构了。所以我们有一个完全开放的系统堆栈。我们从一个不同的方向来构建软件生态系统，系统级架构，然后进入指令集架构。我完全同意标准、指令集架构和开源设计之间的区别。当我说打开指令集时，我不会说开源指令集。这些并不是同时发生的。它是开放的设计，然后是开放的指令集，这是一个开放的标准，你可以在此基础上进行构建。”

开放定制soc的缺陷
许多开源支持者引用Linux开发作为参考点。工程组织在尝试将他们的设计商业化之前就陷入了Linux的“免费”。构建定制有许多潜在的陷阱SoC来自开源ISA。

蒂姆·惠特菲尔德，战略副总裁手臂的他指出，这个问题没有简单的答案。“在中等复杂度的SoC上，设计周期可能是18个月到2年——这取决于它是一个基础设计，还是你在迭代已经存在的东西——当你考虑工具、人员、计算和IP时，全部成本很容易就会超过100万美元。当我们开始分解时，两个最大的元素是验证和软件开发，它们确实会占用最多的时间、精力和资源。”

这在芯片设计领域是很好的理解。惠特菲尔德说:“核实是一个非常复杂的问题。“如果你设计的设备实际上是一个开放系统，任何人写软件都可以在上面运行，验证空间几乎是无限的。这不仅仅是功能上的问题。这与您是否在系统中移动数据有关。安全吗?它在功能上安全吗?我们正在进入这样一个世界，越来越多的芯片进入需要完全安全的环境。所有这些都是额外的成本——设计成本和验证成本。如果你对比一下低端的情况，显然有很多方法可以制造出远低于2亿美元的硅。 That’s a really interesting world, and one in which we are definitely involved.”

不过，这个市场比乍看之下要复杂得多。他说:“多年来，我们一直在开发低端嵌入式处理器，并一直在努力开发这种能力。”“社区开发的开放标准/开源硬件和软件将使人们能够为定制的端点应用程序创建这些低端设备。他指出，Arm一直在与eFabless合作，后者拥有一个社区平台，将开发人员、设计师和IP提供商聚集在一起，以5万至6万美元的价格制造芯片。

另一方面，Furmanek指出，她所生活的世界中，制造一个非常高端的芯片需要花费5亿美元。“在IBM，我们看到了变化。soc仍将存在，但将导致更多的chiplet外形因素，与特定领域构建的芯片。这就是开放标准和高速巴士的用得上的地方。构建soc的人不得不花费大量时间进行验证、NRE，甚至花费数年时间进行有关许可的法律讨论，以至于他们真正的创新部分没有得到关注、时间或资金。他们花了那么多时间把很常见的零件弄好。在芯片结构中，你可以说，‘让我们打开常见的部分，每个人都能受益，然后我们可以把时间和精力集中在真正创新的部分上。这将随着摩尔定律的终结而发生。应对这些挑战的新思维方式将会出现爆炸式增长。我们如何计算加速度?我们如何在整个系统中分解?我们将看到这种转变，这对每个人都有帮助，因为你可以真正专注于你的专长。在这里，我们将看到美元归结为商业模式。 You’re going to see that you no longer have to spend all that money on pieces of IP that really aren’t your value proposition.”

开源硬件提供了一块拼图，但它需要一个完整的生态系统来支持它。谷歌的Rizzo说:“为了确保一个组织从开源投资中获得最大收益，它需要确定志同道合的合作伙伴，他们致力于长期的开发和设计维护。”“对于OpenTitan，我们选择与低risc的CIC合作。lowRISC是一家非营利性公司，使用协作、独立的工程方法来长期开发和维护开源硅设计和工具。这些工具包括RISC-V LLVM支持等健康生态系统所必需的关键基础设施元素。像这样的开源基础设施是开放硅的主要推动力量。我们对OpenTitan的投资被信心所抵消，因为我们有一个独立的、长期的组织来指导项目，致力于支持高质量的开源硅设计。”

这种生态系统特别有趣的是，信息是如何在生态系统和中心组织之间来回移动的。“我们和一个非常具有战略意义的大客户有很长时间的接触，现在他对RISC-V做了大量的评估——不仅仅是我们自己，而是整个RISC-V，”ibm全球销售副总裁Jerry Ardizzone说Codasip．“他们已经指出了一些他们希望看到RISC-V改变的领域。所以他们实际上通过我们直接去了RISC-V基金会，说，‘嘿，我对我的特定应用在这个特定领域的ISA有一些担忧，我们认为我们有一个非常有效的观点和大量的数据。我们认为你应该看看。果然，他们正在看。所以我的猜测是其他大客户，芯片公司，系统公司正在向基金会提供同样的投入，他们正在被倾听。不要忘记，基金会的大量参与者，甚至创始成员都是一些非常大的系统公司，不仅仅是芯片公司，而是系统公司，它们非常关心这种技术的发展方向、成功和正确的技术。”

法律风险
一旦一个工程团队开发了开源硬件产品，他们就必须考虑如何保护自己免受专利纠纷的影响。

这就是为什么低risc项目OpenTitan使用标准的Apache CLA，并从贡献者那里获得入站专利许可。出站OpenTitan使用Apache 2许可，从贡献者向接收者提供专利许可，以制作、使用或销售基于OpenTitan代码和设计的文章。谷歌和低risc CIC的意图是让OpenTitan成为一个世界级的开源硬件项目，适用于从业余爱好者和黑客到企业供应商的所有人。为此，OpenTitan正在采取各种举措，以促进知识产权的开放共享。存储库的直接接收者将通过Apache 2许可证从贡献者那里获得明确的专利许可。此外，谷歌还在继续为更广泛的开源硬件研究单独的专利风险降低计划。”

为了实现互操作性，必须平衡不同的核心与各种硬件和软件组件共存，这就增加了碎片化的风险。

IBM的Furmanek说:“碎片化就是要有这样一个软件生态系统，你可以有很多可以运行的内核，而且没有不同的路径。”“你可以在不破坏基础设施的情况下实现差异化，关键是你不希望两件事以两种不同的方式完成，走上不同的道路。对于POWER指令集，我们有很长的历史，从嵌入式处理器一直到超级计算机。指令集包含了多年来构建的所有内容。软件生态系统就是围绕这一点建立起来的。因此，我们有一个非常强大、稳健、成熟的生态系统，没有压裂问题。确实，如果有人想要在指令集上进行构建，他们为什么要离开指令集呢?他们得到了软件生态系统的价值。如果不使用它，他们就会去构建自己的软件，没有人愿意这样做，所以当软件已经为你提供时，就会有一个好处。你可以进入这个生态系统，真正从中受益，而不是向下和破裂。 At the same time, there are things that we have had to put in place in order to continue to govern that to make sure that you don’t get rogue players. Part of that is the partnership and the ecosystem as a whole, being together saying, ‘We want to have a strong software ecosystem that everybody can use, and that we have to have the right focus in order to have all the differentiation across the product lines and the different markets.’”

Arm在这些问题上也有数十年的经验。Whitfield说:“不言而喻，社区已经能够在不同的产品上进行创新和差异化，也许这个商品就是CPU。”“我们创造了一个价值捕获。我们说过，我们不会拿走所有的价值，我们要分享价值，让每个人都有一个公平的竞争环境来创新，这是成功的。但过去的成功并不意味着未来的成功。”

Whitfield指出，对于架构的治理，以及实现软件生态系统的重要性级别，可能还没有完全一致的意见。“强有力的治理使Android等应用得以发展。无论手机是什么，应用程序都可以运行，并且具有强大的架构特权。在系统的某些部分，你需要保持强有力的治理。有些地方可能不那么重要。我们需要继续发展，帮助我们的合作伙伴做他们想做的事情。我们看到现在人们想要以不同的方式进行区分。在最低端，这种区别并不是通过CPU来实现的。在低端，它是关于你能多快地获得数据。这就是人们想做的。 They want to use devices to harvest data and monetize or do whatever they want to do with their data. And that’s really about the development community — how quickly can you get people to the silicon solutions they need, and whether that’s differentiated at architecture level, the micro architecture level, or the system level. How quickly can you get them silicon and a developer environment that enables them to securely connect to whatever they want to connect to, to provision their devices to be able to do things like over the air updates and get to the data, get to get to the money?”

这样做的一个重要方面是安全供应，同时仍然提供对正确的硅的可访问性。怀特菲尔德说:“当你往上移动堆栈时，你会看到人们在Arm上创建嵌入式设备的社区。“加速器、RISC-V核心、dsp和特定的ML软件都有很大的区别。这里有很多机会，而且这个问题的复杂性正在上升。”

展望未来，Arm打算继续参与开源工作。“是的，我们确实参与了开源。我们做出了巨大的贡献。目前，大约有1000名软件工程师为开源项目做出贡献。我们明确地继续支持已经讨论过的开放标准。我们要么通过AMBA和平台安全架构来创建它们，要么通过参与开放标准来创建。还在继续。”

尽管如此，关于架构治理的界限应该画在哪里的问题仍然存在。从根本上来说，什么才是实现这项技术的正确模式?

他说:“开源硬件将在soc中发挥作用，就像开源软件世界一样，它将是专有和开放或开源的混合体。”“你可以在像安第斯这样的RISC-V领域看到这一点。它们不是处理器的开源实现，但它们将与开源硬件一起出现在芯片中。对于这种长尾现象和我们谈论过的创造长尾现象的创新，都是通过社区平台和合作来实现的。像eFabless这样的公司，他们正在创建真正有效的模型，他们有RISC-V，他们在这个平台上有Arm设计。它将社区聚集在一起，将开源与开源与专有混合，混合工具，混合IP。这些模式将推动创新。

结论
虽然一些业内人士将对开源硬件的兴趣比作狂野的西部，但谷歌的里佐将其更多地比作对未知领域的探索。谷歌致力于与lowRISC、G+D Mobile Security、Nuvoton、Western Digital、ETH Zürich等合作伙伴合作，以最好地利用开源硬件的潜力。对我们来说，开放硬件的广泛采用并不是什么需要准备的事情。这是值得拥抱的。我们正在对社区、工具和基础设施进行大量投资——比如对RISC-V的LLVM支持——这将支持最终的硬件。”

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