O hardware de código aberto pode corresponder ao sucesso do Linux

Este ano marca o 30 ^o aniversário do lançamento do kernel Linux. Servindo como base para o movimento do software de código aberto, o código de código aberto gerou centenas de projetos usando distribuições Linux públicas e gratuitas. O resultado é uma longa lista de produtos robustos, estáveis ​​e flexíveis.

Dado seu sucesso, a mesma abordagem pode ser aplicada para permitir a adoção de hardware de código aberto? Uma arquitetura de conjunto de instruções (ISA) como o RISC-V pode criar a base para a proliferação de hardware de código aberto da mesma forma que o kernel do Linux serviu de base para o software de código aberto?

A resposta é sim e não, simultaneamente.

A arquitetura do momento, RISC-V é aberta e disponível como padrão, permitindo liberdade, flexibilidade e rapidez na construção de produtos ao seu redor. Mas o outro lado é que o hardware é mais complexo e, com várias camadas na pilha, isso significa que não é tão simples quanto enviar um pacote de software.

Pesquisamos as partes interessadas no ecossistema de hardware RISC-V - OpenHW Group, RISC-V International, NXP Semiconductors and Andes Technology. Examinamos as semelhanças com o software de código aberto, as barreiras para a adoção de hardware de código aberto e a importância de uma comunidade de suporte e ecossistema.

Finalmente, consideramos:O que o hardware de código aberto significa para os fabricantes de chips comerciais?

Qualidade e ecossistema de suporte são essenciais

Rick O'Connor, presidente e CEO do OpenHW Group, equipara RISC-V com o kernel Linux “O ISA RISC-V é realmente o que o kernel era para o Linux no início, e outros projetos de software de código aberto e iniciativas surgiram como resultado ”, disse O'Connor ao EE Times . “Certamente, o kernel foi a semente no lado do software 20 anos atrás, e o ISA é a mesma semente, eu acho, no lado do hardware.”

Rick O’Connor
Ainda assim, permanecem barreiras à entrada na adoção de hardware de código aberto. “Certamente, um deles é a qualidade”, acrescentou O’Connor. “Por exemplo, se você trabalha em um chip de alto volume ou empresa SoC [system-on-chip], você não vai entrar no escritório do seu chefe e apostar seu distintivo neste bloco de IP que você baixou e dizer 'Nós 'está pronto para ir' com base neste núcleo legal de uma universidade, e devemos colocá-lo em nosso SoC de alto volume. '”

Portanto, o grupo defende um fluxo de verificação aberto “que as pessoas possam usar e ver a qualidade e os resultados que o ecossistema alcançou, [então] produzir o que seria esperado por uma empresa SoC de alto volume se estivessem fazendo isso totalmente em seus próprio ”, disse O'Connor.

O grupo também observa os equívocos da indústria sobre o RISC-V e o papel do RISC-V International, a fundação que supervisiona as especificações básicas do ISA.

“As pessoas sempre pensaram que a base era desenvolver núcleos”, disse O’Connor. "Não é. Trata-se de desenvolver uma série de especificações que definem a arquitetura do conjunto de instruções. E então há todos os tipos de opções de adoção diferentes:comercial, código aberto, código fechado, com fins lucrativos, sem fins lucrativos, escrito em diferentes idiomas, dependendo de qual é sua linguagem de captura lógica favorita. ”

Nesse sentido, ele enfatizou que o Grupo OpenHW não trata apenas de núcleos RISC-V. “O que realmente estamos focados é no desenvolvimento dos artefatos necessários para a computação em cluster heterogênea que podem ser usados ​​em diferentes tamanhos de SoCs. Agrupando diferentes tipos de núcleos, aceleradores e todos os vários blocos de que precisamos. ”

É aqui que o RISC-V ISA desempenhou um papel fundamental, desencadeando "uma nova fronteira em inovação", afirma O’Connor. “Tornou-se acessível para qualquer pessoa costurar um núcleo, sem acordos para assinar com ninguém. Baixe as especificações do ISA e pronto. Desse ponto de vista, tem sido um facilitador fundamental. Se você pensar em 20 anos atrás, havia muitas, muitas implementações do kernel Linux - muito mais do que temos hoje.

“Nosso desafio para a indústria de hardware é como chegar às cinco ou seis famílias de implementações de núcleos em torno do RISC-V que serão sustentáveis.”

Rob Oshana
Rob Oshana, vice-presidente de engenharia de software para P&D da NXP Semiconductors, sugere que o hardware de código aberto evoluirá da mesma forma que o software aberto. “Linux é o código-fonte real que milhares de desenvolvedores usam e contribuem de forma colaborativa” por meio dos Arquivos do Kernel do Linux.

“A RISC-V International possui uma especificação, não uma implementação. Esta especificação evoluiu de uma forma muito colaborativa e está provado que funciona, dado o estado atual da comunidade e do ecossistema RISC-V ”, disse Oshana.

“Como a fundação não possui uma implementação aberta, o OpenHW Group está preenchendo esse vazio com a carta para desenvolver implementações gratuitas, abertas e livres de royalties, além de outros colaterais, como a Linux Foundation.”

Necessário:suporte da comunidade, não apenas uma especificação

Com a expansão do código aberto de software para hardware, há uma necessidade crescente de envolvimento da comunidade ou do ecossistema de parceiros. “Qualquer comunidade aberta requer nutrição, cuidado e alimentação. Jogar algo em um Git e chamá-lo de "aberto" sempre falha. É necessária uma comunidade ”, argumentou Oshana.

“Os núcleos do OpenHW Group não teriam sucesso se não fosse pelos esforços da comunidade para construir núcleos, placas, software, plataformas de referência.” O OpenHW Group “está aproveitando as práticas recomendadas para tornar essa tecnologia de hardware bem-sucedida também”, acrescentou ele.

A chave é aproveitar as melhores práticas e “investir em engenharia real a uma taxa sustentada para fazer e manter [o desenvolvimento de hardware] bem-sucedido”, argumentou Oshana. “Cada distribuição será única em alguns aspectos”.

Enquanto isso, as ferramentas de código aberto continuam a evoluir. “Precisamos de um conjunto confiável de ferramentas baseadas em hardware para dar suporte a isso ao longo do tempo”, observou Oshana. Ele e outros sugerem que a verdadeira medida de uma comunidade aberta é o nível de engajamento. Por exemplo, uma vez que uma implementação é lançada, uma métrica chave é como a comunidade de usuários gerencia as solicitações de mudança, correções de bugs e assim por diante. “Isso é equivalente ao processo de upstreaming no Linux”, disse Oshana. “O papel do mantenedor precisa ser claro.”

Mark Himelstein
Esse aspecto da comunidade também é reforçado por Mark Himelstein, diretor de tecnologia da RISC-V International. “Linux não era necessariamente o melhor sistema operacional, mas por que as pessoas o adotaram? Porque existe uma comunidade e apoio. A mágica era o orgulho de propriedade. Agora é óbvio usar o Linux e, com o RISC-V, acho que somos o Linux do hardware. Acredito que dentro de cinco a dez anos, o RISC-V será um acéfalo para hardware. ”

Hardware mais resistente do que software

Hardware e software de código aberto diferem principalmente em termos de complexidade em toda a pilha. “Olhe para a maior parte do volume de silício em produção hoje - mais de 95 por cento desse volume foi produzido e verificado em um fluxo de ferramenta baseado em Verilog e infraestrutura de verificação comercial para esse lançamento de produção”, disse O’Connor. “Portanto, se quisermos que alguém adote os núcleos, eles precisam ser facilmente costurados nesse fluxo de ferramenta comercial.”

Os fornecedores de SoC usam principalmente o ambiente de verificação SystemVerilog Universal Verification Methodology. “Não vamos tentar ensinar ou convencê-los a usar algo diferente”, disse O’Connor. “Se realmente queremos a adoção RTL desses blocos de código aberto, eles precisam ser capazes de cair nesse fluxo de ferramentas.”

Ainda assim, a física do hardware apresenta problemas não enfrentados pelos desenvolvedores de software. “Desde a física no nível de geometria nas fábricas de semicondutores, a receita por trás desse processo de fab”, observa O’Connor, que cita o trabalho em áreas como projeto de processos em nós maiores como encorajador.

“Você tem a receita na fábrica, as bibliotecas em cima disso, a camada física dessas ferramentas CAD para produzir GDSII e a própria tecnologia de máscara; e então o equipamento para produzir máscaras e o software e ferramentas de simulação e verificação que você usa para validar seu projeto, as ferramentas de síntese que você usa para capturar e sintetizar seu projeto e, em seguida, o IP que vai para esses projetos ”, explicou ele.

“Todas as camadas dessa pilha têm carteiras de patentes profundas associadas a cada camada, desenvolvidas ao longo de décadas. E há muita ligação entre cada uma dessas camadas. Portanto, tentar substituir toda a pilha logo de cara por implementações e ferramentas de código aberto não é algo que nenhuma empresa comercial tentará fazer ”, observou O’Connor.

Os fundadores do OpenHW Group consideraram a possibilidade de criar um ecossistema voltado especificamente para núcleos RISC-V. No final das contas, eles decidiram não fazê-lo.

O'Connor disse que seu primeiro objetivo era criar esses núcleos. “Mas estamos fazendo isso com uma visão e mentalidade de uma visão para resolver os desafios de implementação de hardware de código aberto. Em outras palavras, torne mais fácil construir clusters heterogêneos com blocos de construção comuns e sua capacidade de personalizá-los com seu próprio molho secreto - aceleradores e extensões construídos em torno disso. ”

Isso envolve a colaboração nos elementos comuns e a definição de um ponto de interface no nível das ferramentas de software, no nível de RTL de hardware e até mesmo no nível de verificação. “Seu valor agregado é então como você modifica esse conjunto comum de blocos de construção para adicionar aceleração customizada, construir esses clusters heterogêneos customizados que implementam seu algoritmo acelerador secreto. Portanto, a ideia é que o RISC-V como um ISA nos permite começar a criar blocos de construção comuns convincentes no nível do núcleo do processador e, em seguida, construir sobre isso. Ao mesmo tempo, aproveitando as melhores ferramentas comerciais para oferecer alta confiança aos implementadores.

“Portanto, o IP é algo em que eles podem confiar.”

Ele prevê que os FPGAs de código aberto surgirão em breve e, eventualmente, os SoCs.

Perspectiva comercial

Andes Technology é um exemplo de como uma empresa comercial se conecta à infraestrutura de código aberto. A empresa taiwanesa lançou vários processadores baseados em RISC-V, com várias implementações de clientes anunciadas.

Além de projetar em seus núcleos RISC-V para SK Telecom e Renesas, Andes anunciou recentemente que EdgeQ, uma startup desenvolvendo chips de estação base 5G, usará sua licença RISC-V principal com uma extensão personalizada Andes para fornecer uma licença aberta e programável Plataforma 5G com IA integrada. A extensão personalizada permitiria à EdgeQ projetar, estender e personalizar seus próprios conjuntos de instruções para obter desempenho, recursos e perfis de energia novos que eles afirmam não serem atendidos pela infraestrutura sem fio atual.

Frankwell Lin

“O RISC-V para nós é um ISA de código aberto para a interface ou descrição do hardware, não um núcleo de código aberto”, disse Frankwell Lin, presidente da Andes Technology. “No campo RISC-V, de empresa para empresa, somos concorrentes. Cooperamos no nível dos padrões RISC-V. No entanto, no dia-a-dia dos negócios, temos que competir uns com os outros ”.

Andes apregoa uma década de experiência com núcleos RISC incorporados, bem como uma arquitetura ISA proprietária. “Embora tenhamos movido 90 por cento de nossos recursos para o desenvolvimento RISC-V, ainda temos nosso núcleo proprietário, fazendo negócios com licenças, e ambos ainda funcionam”, disse Lin.

Além do RISC-V, Lin observou a crescente quantidade de componentes de hardware abertos e padrão da indústria. “Em hardware, o RISC-V não é o primeiro a ser open source.” Por exemplo, o formato de descrição de hardware Verilog é de código aberto, em grande parte por acordo entre os líderes de EDA Cadence e Synopsys, disse Lin.

Também estão abertos os padrões de interface de hardware, como PCIe, USB, OpenCL e OpenCV, bem como Bluetooth e WiFi para conectividade.

À medida que a lista de ferramentas de hardware aberto cresce, uma questão chave é se uma base semelhante ao kernel do Linux é necessária para estimular a adoção de hardware de código aberto. Assim como no Linux, o suporte da comunidade e as contribuições individuais da empresa são cruciais.

Ainda assim, grandes investimentos em ferramentas de design e equipamentos de produção tornam o hardware de código aberto uma venda difícil. Esses obstáculos significam que os blocos de hardware devem ser facilmente integrados às cadeias de ferramentas existentes para lidar com a complexidade muito maior em cada camada de design e produção de hardware.

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, EE Times.

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