Linux内核发布三十周年质量及生态系统是关键(1)_国内_光明网(组图)

今年是 Linux 内核发布 30 周年。20 年前,程序员认为 Linux 只是一种小众技术,猜测它行不通。然而,使用 Linux 作为免费向公众分发,这种开源代码催生了数百个项目,产生了大量健壮灵活的产品,Linux 已成为开源软件开发的基石。DYTednc

这种成功可以在开源硬件上复制吗?像 RISC-V 这样的指令集架构 (ISA) 能否像 Linux 内核是开源软件的基础一样成为开源硬件开发的基石?DYTednc

这个问题没有确切的答案。DYTednc

目前的RISC-V是一个开放的架构,作为标准提供,开发者可以基于它自由、灵活、快速地设计产品。但另一方面,硬件比较复杂,有多层堆栈,所以不像软件包那么简单。DYTednc

本文调查了 RISC-V 硬件生态系统的参与者,包括 OpenHW Group、RISC-V International、NXP Semiconductors、Andes Technology、Nvidia 和 Western Digital,描述了开源软件的相似性、使用障碍和支持社区以及开源软件的重要性生态系统,以及开源硬件对商业芯片制造商意味着什么。DYTednc

质量和生态系统是关键

OpenHW 集团总裁兼首席执行官 Rick O’Connor 将 RISC-V 视为 Linux 内核的等价物,他在接受作者采访时表示:“其他开源软件项目和倡议已经围绕 Linux 内核如雨后春笋般涌现。 RISC-V ISA 始于 Linux 内核,如果 20 年前 Linux 内核是软件种子,那么 RISC-V ISA 就是硬件种子。” DYTednc

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图 1:Rick O’Connor,OpenHW 集团总裁兼首席执行官。DYTednc

然而,采用开源硬件仍然存在障碍。“其中一个障碍是质量,”奥康纳补充道。“如果你在一家拥有大量芯片或 SoC 的公司工作,你就不会押注从互联网下载的这块 IP。你不能直接走进老板的办公室,说我们准备好了使用来自大学的这个很酷的核心,应该在我们的大容量 SoC 中使用。” DYTednc

因此,OpenHW Group 提倡开放式验证流程,“人们可以在此查看生态系统实现的质量并使用他们得到的结果——如果他们完全自己开发,他们应该得到大容量 SoC 的结果。公司预计。” 奥康纳说。O’Connor 还指出了业界对 RISC-V 和监督内核 ISA 规范的基金会 RISC-V International 的误解,他说:“人们总是误解 RISC-V International 正在开发内核,而实际上它是不是,而是专注于开发一套定义指令集架构的规范。这些规范适用于各种目的:商业、开源、闭源、营利性或非营利性,设计师可以根据自己擅长的逻辑,使用不同的语言来捕捉语言。” DYTednc

O’Connor 强调,OpenHW 小组不仅仅是在开发 RISC-V 内核。“我们真正关注的是异构集群计算所需的构建模块,适用于各种规模的 SoC。我们将不同类型的内核、加速器和所有需要的模块结合在一起,”他说。“RISC-V ISA 在这里发挥了关键作用,开辟了一个创新领域。” 任何人都可以在他们的设计中使用核心,只需下载 ISA 规范,而无需与任何人签署协议。从这个角度来看,RISC-VISA是推动RISC-V发展的关键因素。回顾 20 年前,有很多基于 Linux 内核的实现,远远超过今天基于 RISC-V ISA 的实现。硬件行业面临的挑战是如何始终如一地交付基于 RISC-V 的五到六个核心系列。“DYTednc

NXP Semiconductors 研发软件工程副总裁 Rob Oshana 表示,开源硬件的发展方式几乎与开源软件完全相同。来自 Linux Kernel Archives,“Linux 是成千上万的开发人员协作开发和使用的实际源代码”。DYTednc

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图 2:恩智浦半导体软件工程副总裁 Rob Oshana。DYTednc

“RISC-V International 有一个规范,而不是一个特定的实现。该规范是通过开发人员的协作开发的,并且与当前的 RISC-V 社区和生态系统配合得很好,”Oshana 说。“基金会现在还没有开放的实现,OpenHW Group 正在填补这一空白,开发免费、开放、无版权的实现和其他类似 Linux 基金会的保证。” DYTednc

RISC-V 需要社区支持,而不仅仅是规范

随着开源从软件扩展到硬件,对社区或相应生态系统的需求不断增长。“任何开放的社区都需要得到培育、培育和喂养。将一些东西扔进 Git 并称之为‘开放’注定要失败。它需要一个社区。DYTednc

Oshana 补充说:“如果没有社区构建内核、板卡、软件和参考平台的辛勤工作,OpenHW 集团的内核就不会成功,”OpenHW 集团正在使用最佳实践来使这项硬件技术取得成功,是如何利用最佳实践并继续投资于实际工程以保持硬件开发成功。” DYTednc

与此同时,开源工具也在不断发展。“我们需要一套可靠的硬件工具来支持,”Oshana 指出。和其他人一样,他认为开放社区的真正衡量标准是参与度。例如,一旦实现发布,关键指标是用户社区管理更改请求、修复错误等的能力。“它是 Linux 的上游等价物,”Oshana 说,“维护者的角色需要明确。 ” DYTednc

RISC-V International 的 CTO Mark Himelstein 也强调了社区的重要性。“Linux 不一定是最好的操作系统,但人们为什么要使用它?因为社区和支持。它的魔力是拥有者的自豪感。现在使用 Linux 很容易,我认为 RISC-V 是硬件Linux。我相信再过五到十年,人们将能够毫无困难地使用RISC-V。” DYTednc

硬件比软件复杂

开源硬件和开源软件的主要区别在于整个堆栈的复杂性。“看看当今生产的绝大多数芯片,其中超过 95% 是在 Verilog 工具流程和相应的商业验证基础设施中生产和验证的,”O’Connor 说。因此,如果我们希望其他人使用这些核心,我们需要让它们易于集成到这个业务工具流程中。” DYTednc

SoC 供应商大多使用 SystemVerilog 通用验证方法来验证环境。“我们不会让他们采取不同的方法,”奥康纳说。“如果我们真的希望在 RTL 中采用这些开源代码块,它们必须能够适应工具流程。” DYTednc

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图 3:RISC-V International 首席技术官 Mark Himelstein。DYTednc

硬件的物理特性仍然给软件开发人员带来了前所未有的问题。“在半导体工厂中,从几何级物理的角度来看,秘密在于晶圆工艺,”O’Connor 指出,并引用了大节点工艺设计的令人鼓舞的结果。“现在有晶圆工艺支持、最重要的库、用于生产 GDSII 的 CAD 工具的物理层和掩模技术本身,以及生产掩模的设备、用于验证设计的仿真和验证软件和工具、用于捕获和综合设计,以及这些设计的 IP,”他解释说。DYTednc

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“经过几十年的发展,堆栈中的所有层都包含与每一层相关的丰富专利组合,而且层之间的联系也非常紧密,因此任何商业公司都不​​会使用开源解决方案和工具来替换整个堆栈”奥康纳指出。OpenHW 小组的创始人考虑是否要创建一个专门用于 RISC-V 内核的生态系统,但最终决定放弃。O’Connor 说,他们的主要目标是创建内核。“我们所想的一切都是为了解决开源硬件所面临的挑战。我们的目标是使用通用构建块轻松构建异构集群,同时能够使用我们自己的秘诀(围绕它构建的加速器和扩展)进行定制。” DYTednc

所涉及的工作包括在软件工具级别、硬件 RTL 级别甚至验证级别上就通用组件进行协作和定义接口点。根据 O’Connor 的说法,“这使得修改一组通用的构建块以添加自定义加速成为可能,创建实现自己的加速器算法的自定义异构集群。RISC-V 作为 ISA,我们从处理器开始就具有吸引力“ DYTednc

O’Connor 预测很快就会出现开源 FPGA,最终还会出现 SoC。DYTednc

RISC-V处理器设计出现

RISC-V 开源基于硬件的处理器设计不同于开源软件:它的框架将指令集架构 (ISA) 冻结为一个长期组件。ISA 是处理器可以读取的词汇表,软件就是使用这个词汇表编写的。这种语言的编码软件告诉处理器该做什么。DYTednc

任何人都可以使用 RISC-V ISA 来完成设计扩展。开源软件的共同点是 RISC-V 也没有 IP 版权问题,参与者可以分享他们的设计成果。简而言之,RISC-V 允许设计工程师进行创新,给予他们选择的自由。DYTednc

SiFive 联合创始人兼首席架构师 Krste Asanovic 在 CES 2021 的小组讨论中阐明了 RISC-V 在开源硬件领域的地位。“RISC-V 不是开源处理器,而是用于开发处理器的开放标准, “阿萨诺维奇说。因此,规范是开放的,任何人都可以使用它进行设计。这类似于微架构许可,它允许处理器开发人员通过完全根据他们的需要定制处理器设计来优化处理器设计。例如,存储设备制造商西部数据开发了自己的用于固态驱动器设计的控制器处理器,以优化主 CPU 和闪存之间的控制器接口。DYTednc

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图 4:Western Digital 的 SweRV Core EL2 内核替代了 SoC 的状态机和其他逻辑功能。DYTednc

在 2020 RISC-V 峰会期间,西部数据展示了基于其开源 RISC-V SweRV 内核的闪存控制器,其高级业务总监 Ted Marena 表示西部数据将在开源社区发布其 RISC-V 内核。“尽管我们开发了内核,但这并不是真正的秘密武器,围绕内核设计的组件是最重要的,例如与主机处理器的接口,”他说。Marena 补充说,“如何与另一端交互在一端与闪光灯交互可能是真正的差异化因素。” 将内核提供给开源社区可以吸引其他开发人员做出贡献,从而改进设计。DYTednc

与此同时,台湾安第斯公司也推出了多款RISC-V处理器,部分客户现已采用其处理器解决方案。DYTednc

除了 SK Telecom 和 Renesas,专注于开发 5G 基站芯片的初创公司 EdgeQ 还将使用 Andes 核心 RISC-V 许可和定制扩展,以提供具有集成人工智能的可编程开放 5G 平台。Andes Custom Extensions 允许 EdgeQ 设计、扩展和定制自己的指令集,以实现当前无线基础设施无法满足的性能、功能和功率特性。“对我们来说,RISC-V 是用于硬件接口或描述的开源 ISA,而不是开源内核,”Andes 总裁 Frankwell Lin 说。“在 RISC-V 阵营中,所有公司都是竞争对手。对于 RISC-V 标准,我们之间是合作关系;但在日常业务中,我们必须相互竞争。” DYTednc

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图 5:Andes Corporation 总裁 Frankwell Lin。DYTednc

CPU核心选择

英伟达和西部数据等公司设计的芯片都有自己的 RISC-V 内核,有些使用许可的可配置内核。当处理器设计人员设计商业芯片时,他们可以从 SiFive 等公司购买各种许可的 RISC-V 内核,这对于 RISC-V 而言就像 Red Hat 对于 Linux 一样。这是 SiFive 业务的重要组成部分,此外 SiFive 还为工程师提供服务,帮助他们将处理器设计成芯片。DYTednc

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图 6:SiFive 的 E31 核心针对物联网、存储和工业应用。DYTednc

AI 芯片制造商 Esperanto Technologies 的总裁兼首席执行官 Art Swift 表示,随着他们追求不同的商业模式,越来越多的设计师正在转向 RISC-V。与使用相同内核的现有 MCU 不同,RISC-V 允许 MCU 设计人员有更多的内核选择。“目前至少有七家供应商提供商业 RISC-V 内核。DYTednc

Swift 说,专有 ISA 现在由单一供应商管理,客户只能使用一个专有 ISA新设计团队linux内核设计的艺术:图解linux操作系统架,因此除非获得昂贵的架构许可来定制内核,否则处理器设计无法满足特定的行业需求。而且,现在核心不能再转售了,所以很少有公司能像苹果一样承担如此高的投资。但是RISC-V架构许可是免费的,用户可以自己设计内核或者选择开源内核。正如 Swift 所指出的,拥有多种内核选择对于面向未来的设计至关重要。DYTednc

Esperanto 是 RISC-V 的最早采用者,已将 1,000 多个低功耗 RISC-V 内核封装在单个芯片中,以加速其数据中心的 AI 处理。DYTednc

下一次计算革命?

硬件社区重现了 20 年前 Linux 的演变,初创公司设计基于 RISC-V 开放标准的处理器,而 VC 则对芯片新贵进行审查。英伟达和西部数据等大公司也开始大量采用 RISC-V。DYTednc

RISC-V 最初是一个研究项目,现已发展成为处理器设计的开放标准。正如 Swift 所指出的,RISC-V 不同于过去指令集之间的派系之争,而是代表了创新的能力和选择的自由。DYTednc

随着 RISC-V 的快速发展,围绕 RISC-V 处理器设计的基础设施和软件生态系统也走到了一起。RISC-V 开放标准是健康而充满活力的,它代表了开源硬件的未来,并有可能引领下一次计算革命。DYTednc

(本文授权编译自EDN姊妹网站EETimes新设计团队linux内核设计的艺术:图解linux操作系统架,原文参考链接:Can Open Source Hardware Emulate Linux? and RISC-V Processor Designs Emerge,Jenny Liao编译) DYTednc

本文为《电子技术设计》2021年4月号文章,版权所有,禁止转载。单击此处申请免费杂志订阅。DYTednc

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