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开源是否适用于芯片?

到目前为止,还没有人在开源半导体设计或EDA工具方面取得成功。为什么不呢?

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由于复杂节点的高设计成本以及终端市场的碎片化,开源正在受到半导体行业的重新审视,这越来越意味着一种规模或方法不再适合所有人。

正如我们今天所知道的那样,开源运动始于20世纪80年代GNU项目的启动,这大约是电子设计自动化(EDA)工业开始出现。EDA软件用于对电路进行高级逻辑描述,并将其映射到用于制造的硅中。EDA软件从五个数字开始,即使是最简单的工具,也要加上两个或三个零,以便完全处理设计所需的一套工具。除此之外,制造成本起价几百万美元。

此外,现代的芯片,比如你手机里的芯片,包含数百个半导体知识产权(知识产权核心或块),每一个都必须从供应商那里获得许可,通常要为生产的每个芯片支付许可费用和特许权使用费。最著名的是由手臂,但也有存储器、外设、调制解调器、收音机和许多其他功能。

这个行业似乎已经成熟,可以进行一些开源的努力,这样设计和生产芯片的成本就可以降低,或者通过利用大量自愿编码员的创造力,可以设想出更好的设计。但是,虽然有一些项目同时存在于EDA工具和IP中,但没有一个项目甚至影响了这个50亿美元的产业。

变革的势头正在再次积聚。在今年的设计自动化会议(DAC)上,许多演讲者、高管和研究人员都谈到了开源硬件,一些新的商业模式正在出现,可能会推动这一领域的发展。一些人认为,一旦启动,这将是科技行业的巨大机遇,但大多数业内人士对此表示怀疑。问题是,如果没有晶圆厂、IP供应商和EDA行业的全力支持,这是不太可能发生的。

的挑战
硬件和软件之间存在显著差异,尽管语言相似。特别是一种语言,SystemC,旨在通过在c++语言中添加必要的结构来描述硬件,从而最终消除这一分歧。然而,即使SystemC是一种完美的语言,它也不能使软件开发人员创建硬件。其中一些问题转化为开源硬件的设想方式。德克萨斯理工大学(Texas Tech University)数据密集型可扩展计算实验室的研究生约翰•雷德尔(John Leidel)表示:“我们通常可以在RTL进行许多有趣的硬件开发,但一旦遇到困难,就会产生与去工厂相关的资本成本。”“这包括做面具和所有的验证。这种资本成本往往没有得到很好的理解,尤其是在学术界和国家实验室。

这与开源软件形成了鲜明的对比。“在开源软件环境中,你可以开发软件,而且它只是软件,”Leidel指出。“如果行不通,就重写。这样做只需要人力资本成本。你不需要再花100万美元买一套面具来修复你的漏洞。”

商业模式也存在显著差异。Tirias Research首席分析师保罗•泰奇(Paul Teich)指出:“创新始于专有。”“最激进的创新开始于一个想法,它成功的方式是有人用它赚了很多钱。开源本质上是一种跟随的心态。开源软件之所以成功,是因为它是OpEx驱动的。人们可以很容易地贡献时间,这就是我们谈论的开源软件。当我们谈论开源硬件时,必须有人为电子和比特付费。这不再只是我个人为了共同利益而努力。”

时间尺度也非常不同。泰奇补充说:“用硅旋转技术,需要两年时间才能推向市场。”“不管你做什么,不管你的想法有多好,这就是它真正在市场上看到功能门所需要的时间。”

此外,工具链是不同的。Rackspace的杰出工程师Aaron Sullivan说:“有了开源软件,我们就有了编译器和相当好的源代码管理工具。”“对于开源硬件,我们也需要晶圆厂。它们价格昂贵,而且数量和可分配性都不高。它们需要大量的专业知识来运行和开发。这是社区成熟速度的关键差异。”

兰迪·斯万伯格,杰出的工程师IBM对此表示赞同。“在开源软件中,有一套丰富的工具,从运行时到编译器、要构建的库、git存储库、存储管理等等。工具吸引了开发人员。它们必须是无所不在的和可获得的。这是对开源硬件运动的挑战。”

但是把这两个开源领域看作是相同的,这可能是问题的一部分。“随着半导体和知识产权行业在过去20年里的发展,我们在半导体行业中思考的类比不是技术问题,而是内容问题,”中国半导体公司知识产权部门总经理解释说Silvaco.“半导体更像是唱片行业,而不是技术行业。人们通过黑胶唱片上的内容来区分自己,而不是黑胶唱片本身。这不是优化黑胶唱片的问题,而是设计师在上面放了什么热门唱片。”

到目前为止,与压胶相关的成本限制了可用的内容,但时代正在改变。

改变未来
半导体行业已经蓬勃发展了50年,通常被称为摩尔定律这种狂热的速度已经定义了这个行业的运作方式。“正如我们今天看到的,摩尔定律正在放缓,”Lanza techVentures的执行合伙人警告说,他也是许多EDA和知识产权公司的董事会成员。“我们需要开始接受这一点,并考虑将会发生什么。我们正在考虑几何收缩速度的放缓,以及对节点演化的新要求。”

兰扎认为,新节点的竞争是一个巨大的驱动因素,EDA工具从来不必完善任何东西。“你所要做的就是想出一些可行的东西。”但随着经济放缓,EDA将发生重大变化,这或许会带来机遇。”

正是这种放缓将引发巨大的变化。Scientific Ventures董事总经理马克•邓普顿(Mark Templeton)表示:“这个行业一直在加速下一个节点,并祈祷自己能获得比下一个节点更好的表现。”“如果节点要保留一段时间,人们就会希望该节点有更多的变化。这对每个人都是挑战。”

我们看到的变异可能不仅仅是在节点内部。萨维奇说:“如今,多样性的爆炸式增长即将到来。“如果你有一个节点保持稳定,从几何角度来看,人们就会想要优化它物联网例如,边缘应用程序,这将导致处理器市场大量碎片化。这是一个挑战,因为你不可能创建一个IP并将其出售10次或20次,而更可能是一次或两次,所以事情开始变得比过去更像服务。我们将看到更多的工艺变化,而将IP映射到这些变化将导致诸如硅验证和资格认证预算等方面的变化。”

平台和参考设计
有几个项目集中在硬件平台上,比如摩托罗拉的(现在是谷歌)项目Ara该公司的目标是创造一个通用的核心,摄像头和屏幕等组件可以围绕它安装。到目前为止,这款手机还没有发布。

也许最受关注的平台是现场可编程门阵列(FPGA)。这些是标准芯片,可以重新编程,以承担任何逻辑功能,并以类似于软件的方式进行编程。硬件功能用一种类似软件的语言描述,编译器读取该描述并将其转换为下载到FPGA的比特流。FPGA的功能与上述描述相同,但与在处理器上运行的程序不同。相反,硬件模拟程序的功能,比运行在处理器上的程序快得多。

缺点是编译和下载程序需要相当长的时间,而且设备价格昂贵。然而,Rackspace的Sullivan表示,“它们确实提供了一个表面上的平台,你可以在上面进行迭代,而无需花费大量成本。”

Swanberg补充道,FPGA“正开始取得进展,因为主要的FPGA供应商已经认识到这一点,并试图创建更像软件开发人员习惯使用的工具。这些是C编译器,带有一些实用指令,可以让你生成比特流。”

FPGA供应商通过销售设备赚钱,这推动了商业模式的发展。萨维奇说:“他们有动力在自己的平台上推出更多的设计。“为了实现愿景,设计社区的垂直化是必须发生的一件重要事情。目前的市场结构并不利于集成电路设计流程。这就是硬件和软件的最大区别。半导体方面必须有财务激励,才能进入可能存在的巨大市场。”

新的商业模式
有迹象表明,商业模式正开始改变。谷歌和Facebook都开发了经过优化的硬件架构,以提高性能和降低功耗,特别是在数据中心

Facebook在2011年推出了开放计算计划.该公司公开了自己正在做的事情,并向业内其他公司提供了这些预付款。自成立以来,微软、谷歌和许多其他公司已经联合起来,以改进数据中心为目标。这种趋势已经从硬件领域延伸到了深度学习、人工神经网络、电信和存储等新领域。

虽然这是在系统级和数据中心的硬件机架上,但以合作的方式重新设计芯片本身是否也有类似的兴趣?

还有一些额外的障碍需要克服。公司执行董事克里斯•阿尼斯奇克(Chris Aniszczyk)表示:“有必要建立一个中立或非营利的结构,让公司围绕知识产权有明确的规则。云原生计算基金会.“你不能有关于代码来自哪里的问题,而且需要有关于如何进行约定的规则。随着硬件公司开始参与进来,分享设计和合作,这种模式会越来越多地出现。你会看到到处都是地基。”

其中一个基金会希望开发一个开源处理器。RISC-V最初是为支持计算机体系结构研究和教育而设计的,但现在已经成为在BSD许可下可用的开放体系结构。的治理下的行业实现RISC-V基金会.最初由EECS系的计算机科学部开发加州大学伯克利分校2015年,RISC-V基金会管理标准,创建遵从性测试,并组织社区。它包括谷歌、惠普、Microsemi和Oracle等行业领导者以及学术合作伙伴。

到目前为止,除了Tensilica (Cadence)或ARC (Synopsys)可扩展处理器之外,RISC-V几乎没有提供更多的功能,它们也将提供完整的工具支持和坚实的硅实现历史——除了它将是免费的。

开源EDA
即使所有的IP都是开源的,它仍然需要一个工具链和晶圆厂。那么,如果商业模式发生了变化,使得工具可以出租而不是购买,会发生什么变化呢?“我们必须确定与加工成本相关的市场弹性,”萨维奇说。“如果EDA公司看到正在进行的设计数量激增导致收入大幅增加,那么他们就会对此持开放态度,但过去10年我们并没有看到这种情况。”

萨维奇确实在另一种商业模式中看到了更多希望。“我们需要看到更多的版税模式,在这种模式下,EDA与产品的成功息息相关。如果芯片的成功与工具的质量有关,那么EDA将会下很大的赌注。”

还有一些公司认为,让这些工具更加开放将会促进市场增长。“众包在很多行业都有应用,它在两个方面有帮助。efabless.“首先,它把整个社区的创造力聚集在一起,帮助人们解决问题。这也是一种更具成本效益的模式。我们不想降低整个生命周期的设计成本。我们认为这不是我们想去的地方,也不是你们想去的地方。我们想要做的是把创新的成本尽可能地降低到零。这样我们就能共享繁荣了。”

另一家公司正试图填补开源硬件和商用硅生产之间缺失的环节。“开源硬件主要局限于纯数字合成逻辑,但任何商业SoC需要集成模拟和混合信号组件,如内存接口和高速串行链路,并将整个设计映射到目标代工的工艺技术,”SiFive首席架构师Krste Asanovic表示。“SiFive是一家无晶圆厂半导体公司,正在开发基于开源risc - v的SoC平台,通过将客户特定的硬件与行业标准的物理接口集成在一起,提供快速、低成本的硅生产路径,并在领先的代工厂为商业硅生产提供高质量的布局。”

当我们谈到设计上的巨大变化时,你必须问所有的内容从何而来。坦普尔顿说:“社区是有意义的。“我们已经在软件领域看到了这一点,例如Github,这是一个由数十万开发人员组成的社区,你可以从那里找到任何你想要的东西作为起点。我们可能需要朝着这个方向前进,但这是非常具有挑战性的。如果你想开发一个复杂的IP,我们从哪里获得工具?节奏不会愿意听你的。在模拟领域,你还必须与代工厂合作。如果你向铸造厂询问最新工艺技术的设计规则,如果他们喜欢你的话,需要12个月。这是一件很难做到的事情。如果我们考虑到社区,它改变了晶圆代工厂必须考虑设计的方式。我们需要工具公司创造出更适合这个世界的模型。”

对于代工问题,Wishart指出了一个可能的答案。“我们有一套开源工具,我们有Xfab作为代工合作伙伴。他们明白,通过控制我们站点内的设计环境,我们可以混淆所有的底层技术。这样,他们担心的理由就消失了。现在他们将其视为商业原则。作为代工,他们可以按需获得IP,他们可以为许多小客户提供服务,否则我们将无法负担这些服务。我们必须从源头上解决问题。”

结论
在开源硬件成为半导体行业的一股力量之前,还有很多障碍需要克服。兰扎说:“Semi并没有为了成本效益而改变对体积的要求。“但你不能再认为,创新的唯一途径是用十亿个晶体管制造一百万个芯片。”

拥有几乎无限的资源、想法和设计是一个有趣的概念。“如果你把自己限制在你的组织能做的事情上,即使是IBM这样规模的组织,在全球拥有研究团队,也无法与引进200人相比OpenPOWER斯万伯格说。“一年之内,就有60项创新被摆上了桌面。这证明了开放硬件的力量。”

坦普尔顿也看到了类似的机会。“如果我想为一个相机设计一个芯片,捷克斯洛伐克的一个孩子可能有一个很棒的建筑,我想要接触到它,甚至从他那里买它。我们需要一个世界,在这个世界里,我们有更多来自更多地方的各种各样的内容,并以某种方式找到需要这些内容的人。”

Wishart也是如此。“我们认为,有大量的内在创造力是不允许发生的。这就是我们正在开始的世界,我确信它将从小规模开始,随着社区的发展,专业知识也将不断增长。如果说半导体最终不会像其他市场那样创新,那就大错特错了。我们无法预测它最终会变成什么样子,但我们相信社区是其中的一部分。”

如果摩尔定律的衰落确实增加了对设计和专业化的需求,那也创造了很多机会。萨维奇说:“这将是一个巨大的市场。“当我说到爆炸式增长时,我指的是可用的设计内容的数量。今天我们看到了整合——半导体公司的整合,EDA的整合,知识产权的整合。设计和IP的不同之处在于,它们不会遵循同样的崩溃轨迹。相反,物联网市场和汽车将创造我们今天无法想象的新应用,这将需要新的设计内容。这样的作品会有一千个。”

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2的评论

凯文 说:

EDA中的开源只需要一个好的起点,我会选择Xyce -https://xyce.sandia.gov/

卡尔·史蒂文斯 说:

芯片工厂的成本为设计可编程性提供了很好的理由,例如快速加载ram以定义或更改功能。显然,必须有一个一次性的构建,但相同的芯片可以用于不同的功能。FPGA配置和比特流负载仍然是令人反感的。然而,同样的方法也可以用于FPGA,只是芯片成本更高,但FPGA fab成本分散在更多的设计上。

工具链过于专注于构建最小的细节-门或FPGA比特流,每个线/网络(连接)有多个比特。

CPU/uC需要内存、缓存、MMU,这会影响成本和性能。多核受数据依赖和内存速度的限制,单核受单个ALU的限制。

仅仅把许多处理器、操作系统、内存等放在一个SoC上作为IP的想法是行不通的,因为它们被设计为独立的,所以必须设计一个网络来互连它们,包括硬件和软件。

关键是为每个模块定义具有所需输入和输出的函数逻辑,并让编译器像在OOP编程中那样进行连接。HW和OOP都是模块化层次结构。

微软。net和Visual Studio是一个很好的参考。由于对微软的仇恨和不信任,设计界搬起石头砸自己的脚。Visual Studio是免费的,但整个芯片的设计方法是基于脚本和使用贪婪的EDA工具提供商提供的任何东西。当然,EDA供应商不是经验丰富的系统设计师,所以有什么神奇的期望。
这可以追溯到逻辑设计被HDL/RTL所取代的时候。所以现在在模拟之前需要综合时间来修改网表,甚至模拟也可以计算皮秒,尽管也使用静态计时。

基于30多年的逻辑设计和计算机系统经验,我认为这个洞已经挖得够深了,是时候“醒来闻闻玫瑰”了。

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