Le matériel open source peut-il égaler le succès de Linux

Cette année marque le 30 ^ème anniversaire de la sortie du noyau Linux. Servant de base au mouvement des logiciels open source, le code open source a engendré des centaines de projets utilisant des distributions Linux publiques et gratuites. Le résultat a été une longue liste de produits robustes, stables et flexibles.

Compte tenu de son succès, la même approche peut-elle être appliquée pour permettre l'adoption de matériel open source ? Une architecture de jeu d'instructions (ISA) comme RISC-V peut-elle créer la base de la prolifération du matériel open source de la même manière que le noyau Linux a servi de base aux logiciels open source ?

La réponse est à la fois oui et non.

L'architecture du moment, RISC-V est ouverte et disponible en standard, permettant liberté, flexibilité et rapidité dans la construction des produits qui l'entourent. Mais le revers de la médaille est que le matériel est plus complexe, et avec plusieurs couches dans la pile, cela signifie que ce n'est pas aussi simple que d'expédier un progiciel.

Nous avons interrogé les parties prenantes de l'écosystème matériel RISC-V :OpenHW Group, RISC-V International, NXP Semiconductors et Andes Technology. Nous examinons les similitudes avec les logiciels open source, les obstacles à l'adoption du matériel open source et l'importance d'une communauté et d'un écosystème d'assistance.

Enfin, nous considérons :que signifie le matériel open source pour les fabricants de puces commerciales ?

La qualité, l'écosystème d'assistance sont essentiels

Rick O'Connor, président et chef de la direction du groupe OpenHW, assimile RISC-V au noyau Linux « Le RISC-V ISA est vraiment ce qu'était le noyau pour Linux au début, et d'autres projets et initiatives de logiciels open source ont surgi comme un résultat », a déclaré O'Connor à EE Times . "Certes, le noyau était la graine du côté logiciel il y a 20 ans, et l'ISA est la même graine, je pense, du côté matériel."

Rick O'Connor

Pourtant, des barrières subsistent à l'entrée dans l'adoption de matériel open source. "Certainement, l'un d'eux est la qualité", a ajouté O'Connor. « Par exemple, si vous travaillez dans une entreprise de puces ou de systèmes sur puce à haut volume, vous n'allez pas entrer dans le bureau de votre patron et parier votre badge sur ce bloc IP que vous avez téléchargé et dire 'Nous 'sont prêts à partir' basés sur ce noyau cool d'une université, et nous devrions le mettre dans notre SoC à haut volume.'"

Par conséquent, le groupe préconise un flux de vérification ouvert « que les gens peuvent utiliser et voir la qualité et les résultats obtenus par l'écosystème, [puis] produire ce à quoi s'attendrait une entreprise SoC à grand volume s'ils le faisaient totalement sur leur propre », a déclaré O'Connor.

Le groupe note également les idées fausses de l'industrie sur RISC-V et le rôle de RISC-V International, la fondation qui supervise la spécification ISA de base.

"Les gens ont toujours pensé que la fondation consistait à développer des noyaux", a déclaré O'Connor. "Ce n'est pas. Il s'agit de développer une série de spécifications définissant l'architecture du jeu d'instructions. Et puis il y a toutes sortes d'options d'adoption différentes :commerciale, open source, source fermée, à but lucratif, à but non lucratif, écrites dans différentes langues, selon votre langage de capture logique préféré. »

À cet égard, il a souligné que le groupe OpenHW ne se limite pas aux cœurs RISC-V. « Ce sur quoi nous nous concentrons vraiment, c'est le développement des artefacts nécessaires à l'informatique en cluster hétérogène qui peuvent être utilisés dans différentes tailles de SoC. Regrouper différents types de cœurs, d'accélérateurs et tous les différents blocs dont nous avons besoin. »

C'est là que le RISC-V ISA a joué un rôle clé, déclenchant « une nouvelle frontière en matière d'innovation », affirme O'Connor. « Cela a rendu accessible à quiconque la possibilité de coudre un noyau, aucun accord à signer avec qui que ce soit. Téléchargez les spécifications ISA et c'est parti. De ce point de vue, cela a été un catalyseur clé. Si vous vous rappelez il y a 20 ans, il y a eu de très nombreuses implémentations du noyau Linux, bien plus que ce que nous avons aujourd'hui.

« Notre défi pour l'industrie du matériel est de savoir comment atteindre les cinq ou six familles d'implémentations de cœurs autour de RISC-V qui seront durables. »

Rob Oshana

Rob Oshana, vice-président de l'ingénierie logicielle pour la R&D chez NXP Semiconductors, suggère que le matériel open source évoluera à peu près de la même manière que les logiciels ouverts. "Linux est un code source réel que des milliers de développeurs utilisent et contribuent de manière collaborative" via les archives du noyau Linux.

«RISC-V International possède une spécification, pas une implémentation. Cette spécification a évolué de manière très collaborative et il a été prouvé qu'elle fonctionnait compte tenu de l'état actuel de la communauté et de l'écosystème RISC-V », a déclaré Oshana.

« Parce que la fondation ne possède pas d'implémentation ouverte, OpenHW Group comble ce vide avec la charte de développement d'implémentations libres, ouvertes et libres de droits, ainsi que d'autres garanties, tout comme la Linux Foundation. »

Requis :l'assistance de la communauté, pas seulement une spécification

Avec l'expansion de l'open source du logiciel au matériel, il existe un besoin croissant d'implication de la communauté ou de l'écosystème des partenaires. « Toute communauté ouverte nécessite des soins, des soins et une alimentation. Lancer quelque chose dans un Git et l'appeler « ouvert » échoue toujours. Une communauté est nécessaire », a soutenu Oshana.

« Les cœurs du groupe OpenHW ne réussiraient pas sans les efforts de la communauté pour créer des cœurs, des cartes, des logiciels et des plates-formes de référence. » OpenHW Group « exploite également les meilleures pratiques pour assurer le succès de cette technologie matérielle », a-t-il ajouté.

La clé consiste à tirer parti des meilleures pratiques et à « investir une véritable ingénierie à un rythme soutenu pour assurer le succès du [développement matériel] », a expliqué Oshana. "Chaque distribution sera unique à certains égards."

Pendant ce temps, les outils open source continuent d'évoluer. « Nous avons besoin d'un ensemble fiable d'outils matériels pour prendre en charge cela au fil du temps », a noté Oshana. Lui et d'autres suggèrent que la véritable mesure d'une communauté ouverte est le niveau d'engagement. Par exemple, une fois qu'une implémentation est publiée, une mesure clé est la façon dont la communauté d'utilisateurs gère les demandes de changement, les corrections de bogues, etc. "C'est l'équivalent du processus d'amont sous Linux", a déclaré Oshana. « Le rôle du responsable doit être clair. »

Mark Himelstein

Cet aspect communautaire est également renforcé par Mark Himelstein, directeur de la technologie chez RISC-V International. « Linux n'était pas nécessairement le meilleur système d'exploitation, mais pourquoi les gens l'ont-ils adopté ? Parce qu'il y a une communauté et un soutien. La magie était la fierté de la propriété. C'est maintenant une évidence d'utiliser Linux, et avec RISC-V, je pense que nous sommes le Linux du matériel. Je pense que dans cinq à dix ans, RISC-V sera également une évidence pour le matériel. »

Matériel plus robuste que logiciel

Le matériel et les logiciels open source diffèrent principalement en termes de complexité tout au long de la pile. "Regardez la majorité du volume de silicium en production aujourd'hui - plus de 95 % de ce volume a été produit et vérifié dans un flux d'outils basé sur Verilog et une infrastructure de vérification commerciale pour cette version de production", a déclaré O'Connor. "Donc, si nous voulons que quelqu'un adopte les noyaux, ils doivent être facilement cousus dans ce flux d'outils commerciaux."

Les fournisseurs de SoC utilisent principalement l'environnement de vérification de la méthodologie de vérification universelle SystemVerilog. "Nous n'allons pas essayer de leur enseigner ou de les convaincre d'utiliser quelque chose de différent", a déclaré O'Connor. « Si nous voulons vraiment que RTL adopte ces blocs open source, ils doivent pouvoir s'intégrer à ce flux d'outils. »

Pourtant, la physique du matériel présente des problèmes auxquels les développeurs de logiciels ne sont pas confrontés. "Dès la physique au niveau de la géométrie dans les usines de semi-conducteurs, la recette derrière ce processus de fabrication", note O'Connor, qui cite des travaux dans des domaines tels que la conception de processus sur des nœuds plus importants comme encourageants.

« Vous avez la recette dans la fabrique, les bibliothèques en plus, la couche physique de ces outils de CAO pour produire GDSII et la technologie de masque elle-même ; puis l'équipement pour produire des masques, et les logiciels et outils de simulation et de vérification que vous utilisez pour valider votre conception, les outils de synthèse que vous utilisez pour capturer et synthétiser votre conception, puis l'IP qui entre dans ces conceptions », a-t-il expliqué.

« Toutes ces couches de cette pile ont des portefeuilles de brevets approfondis associés à chaque couche, développés au fil des décennies. Et il y a tellement de liens entre chacune de ces couches. Donc, essayer de remplacer toute la pile dès le départ par des implémentations et des outils open source n'est pas quelque chose qu'une entreprise commerciale va essayer de faire », a noté O'Connor.

Les fondateurs du groupe OpenHW se sont demandé s'il fallait créer un écosystème spécifiquement orienté vers les cœurs RISC-V. Ils ont finalement décidé de ne pas le faire.

O'Connor a déclaré que leur premier objectif était de créer ces noyaux. « Mais nous le faisons avec une vision et un état d'esprit axés sur la résolution des problèmes de mise en œuvre de matériel open source. En d'autres termes, facilitez la création de clusters hétérogènes avec des blocs de construction communs, et votre capacité à l'adapter avec votre propre sauce secrète :des accélérateurs et des extensions construits autour de celui-ci. »

Il s'agit de collaborer sur les éléments communs et de définir un point d'interface au niveau des outils logiciels, au niveau du RTL matériel, voire au niveau de la vérification. « Votre valeur ajoutée est alors de savoir comment vous modifiez cet ensemble commun de blocs de construction pour ajouter une accélération personnalisée, créez ces clusters hétérogènes personnalisés qui implémentent votre algorithme d'accélérateur secret. Ainsi, l'idée est que RISC-V en tant qu'ISA nous permet de commencer sur des blocs de construction communs convaincants au niveau du cœur du processeur, puis de s'appuyer sur cela. Tout en tirant parti des meilleurs outils commerciaux pour offrir une grande confiance aux responsables de la mise en œuvre.

"Donc, l'IP est quelque chose qu'ils peuvent faire confiance."

Il prédit que les FPGA open source émergeront bientôt, et éventuellement les SoC.

Perspective commerciale

Andes Technology est un exemple de la façon dont une entreprise commerciale se connecte à une infrastructure open source. La société taïwanaise a lancé plusieurs processeurs basés sur RISC-V, avec un certain nombre d'implémentations client annoncées.

En plus de concevoir dans ses cœurs RISC-V pour SK Telecom et Renesas, Andes a récemment annoncé qu'EdgeQ, une startup développant des puces de station de base 5G, utilisera sa licence RISC-V de base avec une extension personnalisée Andes pour fournir un logiciel ouvert et programmable. Plateforme 5G avec IA intégrée. L'extension personnalisée permettrait à EdgeQ de concevoir, d'étendre et de personnaliser ses propres jeux d'instructions pour obtenir de nouvelles performances, fonctionnalités et profils de puissance qui, selon eux, ne sont pas satisfaits par l'infrastructure sans fil actuelle.

Frankwell Lin

« RISC-V est pour nous un ISA open source pour l'interface ou la description matérielle, et non un noyau open source », a déclaré Frankwell Lin, président d'Andes Technology. « Dans le camp RISC-V, d'entreprise en entreprise, nous sommes concurrents. Nous coopérons au niveau des normes RISC-V. Cependant, dans les affaires quotidiennes, nous devons rivaliser les uns avec les autres. »

Andes vante une décennie d'expérience avec les cœurs RISC intégrés ainsi qu'une architecture ISA propriétaire. "Bien que nous ayons déplacé 90 % de nos ressources vers le développement RISC-V, nous avons toujours notre noyau propriétaire, nous exerçons une activité de licence, et les deux fonctionnent toujours", a déclaré Lin.

Outre RISC-V, Lin a noté les quantités croissantes de composants matériels ouverts et standard de l'industrie. « En matière de matériel, RISC-V n'est pas le premier à être open source. » Par exemple, le format de description du matériel Verilog est open source, en grande partie grâce à un accord entre les dirigeants de l'EDA Cadence et Synopsys, a déclaré Lin.

Les normes d'interface matérielle telles que PCIe, USB, OpenCL et OpenCV ainsi que Bluetooth et WiFi pour la connectivité sont également ouvertes.

À mesure que la liste d'outils matériels ouverts augmente, une question clé est de savoir si une base semblable au noyau Linux est nécessaire pour stimuler l'adoption du matériel open source. Comme pour Linux, le soutien de la communauté et les contributions individuelles des entreprises sont essentiels.

Pourtant, de lourds investissements dans les outils de conception et les équipements de production rendent le matériel open source difficile à vendre. Ces obstacles signifient que les blocs matériels doivent être facilement intégrés aux chaînes d'outils existantes afin de répondre à la complexité beaucoup plus grande à chaque couche de conception et de production de matériel.

>> Cet article a été initialement publié le notre site partenaire, EE Times.

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