开源硬件时代的挑战和新的机遇

开放源码硬件是近十年来出现的设计方法，尽管出现的时间不短了，但是更多的停留在概念层面。随着FPGA芯片密度提高和成本降低，这一概念正在逐渐受到越来越多的关注。那么未来 FPGA能否成为开源硬件普及的催化剂呢？ 

1998年，Delft University of Technology 的一些学生和老师在互联网上发起Open Design Circuits Group, 目的是开放电路设计并把它发布在网上。后来产生了两个开源硬件网站：Opencores 和 OpenIPcore，后来OpenIPcore 合并入Opencores，现在成为eASIC公司。网址是：http://www.Opencores.org。 很多IC设计的爱好者把他们的设计公布到Opencores网上，同时附有说明文档和源代码。这些IP以OpenRISC开源CPU为核心，支持WISHBONE总线结构，保证了一定的兼容性。这些IP可以通过WISHBONE总线集成到一起，可以实现功能更加复杂的SoC。 

后来出现的LEON RISC是另外一个比较成功的开源RISC，但是部分开源的模式。2006年Sun又公开其UltraSparc芯片的设计细节，以便Linux操作系统和各种版本的BSD Unix操作系统更容易地与其兼容。 

以上这些开源的CPU得到了很多高校和研究机构的热情拥护，也引起了很多电子设计领域的工程技术人员的关注，其中包括一些行业专家。 中国工程院院士许居衍先生曾发表过的一篇论文《半导体特征循环与可重构芯片》中，提出的“许氏循环”，半导体产品的主要特征将沿着“通用”与“专用”循环波动，每十年一次。其判断依据是，因为“可重构计算是一个难度颇大、涉及面甚广的课题，尽管当前很多人在研究，但是无论在器件结构、系统结构还是在设计方法学方面，均存在不少问题，仍有很长的路要走”。

因此，许居衍提出了“从MPU的‘软’编程到FPGA的‘硬’编程看，一个逻辑的发展应是‘硬’、‘软’均可编程，即算法可编程、可重构器件也可编程的U-SoC。” 从目前的技术来看，只有FPGA才能做到在软硬件都可以编程。与开源软件的完全免费不同，开码硬件最终要物理实现才能验证其设计是否达到预期目的。可编程逻辑器件特别是FPGA， 因其快速灵活、初期投入成本低，而成为开放源码硬件最适合的开发平台。 但就像Linux的发展得益于IBM 等一些大公司的积极推动，开源硬件的发展，也离不开相关硬件厂商的支持。Xilinx和Altera等FPGA厂家表现出来极大的热情，主要原因是开源硬件的实现平台主要是FPGA。Opencores的设计也主要都是在FPGA上进行。 开源硬件的概念已经出现了近10年，但是还没有达到广泛应用的程度。除了技术方面面临很多挑战之外，还缺少成功的商业运作模式。这就导致了开源码硬件运用在实际产品中的成功案例较少，基本上是个别IP经过改造后集成到商业系统中。　　

究其原因，开放源码硬件还面临的问题和挑战主要有：　　

1)兼容性和稳定性缺乏保证。在电子产品数月就换代的时代，上市时间是电子系统设计的一个关键因素，即使是采用商业IP, 都有可能遇到意想不到的整合问题。而目前开放源码硬件在文档完备性，稳定性上，技术支持方面存在的诸多问题，这就给产品集成和测试带来很多额外的工作。

2)软件丰富性和工具链问题。如果采用开放源码的处理器，这就意味着从指令集到编译器到调试器都是重新开发的，几乎所有的软件都需要移植和重新编译，这使得开放源码的处理器的开发尤其困难。LEON系列处理器采用了CPU开放源码，编译器和调试器收费的模式。这样保证了LEON处理器客户的移植风险。 

3)缺少核心厂商支持。OpenCore这样的技术社区在行业的影响力有限，提供的服务和技术支持也有限制。开源硬件主要依靠技术爱好者来完善和支持，没有大公司的支持，很难形成产业。 正是由于这些挑战的存在，开放源码硬件的活动目前更多的集中在大学和研究机构中，各大公司还是采取了观望的态度。 开源硬件的时代，FPGA设计公司也有了新的机遇和商业模式。