FPGA能否推动开源硬件？

　　开源硬件悄然兴起

　　2008年4月20日，在无锡国家集成电路设计基地，一群电子工程相关专业的大学生收获着自己辛勤努力的成果——在赛灵思举办的“中国电子学会Xilinx开放源码" title="开放源码">开放源码硬件创新大赛”中取得各种奖项。必须承认，这些迸发着灵感的设计还是稚嫩的，但也许这些学生自己也不清楚，他们是在见证一段注定要被记住的历史——开源硬件在中国的艰难前行。

　　随着芯片设计越来越向SOC方向迈进，即在一个芯片中集成很多现有的IP核，以快速设计出系统。这时，IP核的可重用性和可更改性就成了最关键的问题，而开放源码的IP核无疑在这方面具有先天优势。

　　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，尽管这个小组的活动日渐稀少，但却引发了日后两个著名的开源硬件网站的产生：Opencores 和 OpenIPcore（2000年时，OpenIPcore 合并入Opencores）。越来越多的学校学生选择把他们的设计公布到网上，并把许多功能集成到一起，以期完成很复杂的功能。

　　中国有案可查的开放源码硬件项目是2001年3月启动的OpenARM项目，在“中国芯”盛行的那几年里，不少学校和研究单位参考开放源码的处理器设计了自己的微处理器，这个时期，中国利用开放源码硬件的资源进行IC设计的方法开始悄然流行。

　　未来将是Designless

　　但就像Linux的蓬勃发展，部分得益于IBM 等大公司的积极推动，开源硬件的发展，也离不开相关硬件厂商的支持。赛灵思公司大学计划部中国区经理谢凯年告诉电子工程世界，赛灵思会一直推动开源硬件，而开源硬件设计大赛只是推动的手段之一。

　　商家从来都是无利不起早，赛灵思自然也不是在做公益事业。从中国工程院院士许居衍的论文《半导体特征循环与可重构" title="可重构">可重构芯片》中，我们可以找到端倪。根据许居衍提出的“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，从2018~2028年，将会重新走向通用。

　　许居衍的判断依据是，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。我们相信，可重构计算技术的发展，终将推动主流应用进入U-SoC通用波动，仅仅通过对“毛坯芯片” (Raw Chip)的配置编程就可以得到用户自定义的功能电路，从而引导半导体产业结构演变，促进不做芯片设计而专事芯片应用创新的Designless 商业模式的新兴起。”

　　所谓的Designless，就是根本无需设计，自动生成集成电路，工程师只需要关注在应用和功能上即可。但要实现Disignless的前提是必须软硬件都开放，因为如果只开放软件，你不知道细节，因此还是无法生成一个设计。

　　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。”

　　谢凯年认为，这意味着FPGA是极有前途的，因为现在只有FPGA才能做到在软硬件间游刃有余。事实上也是如此，与开放源码软件的完全免费不同，开放源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、初期投入成本低廉，而成为开放源码硬件最适合的开发平台。可以看到的是，Opencores的设计主要都是在FPGA上进行。

　　开源硬件挑战重重

　　虽然FPGA为开源硬件的发展起到了基础和推动的作用，但我们也很清楚，开源硬件的发展还在面临很多挑战。事实上，虽然开源硬件从诞生到现在已将近10年，很多人付出了大量努力，但至今采用开放源码硬件运用在实际应用系统中的案例几乎没有。

　　究其原因，开放源码硬件面临的问题和挑战主要有：

　　1)免费EDA工具的获取。尽管有Alliance 和 gEDA 等EDA工具可供使用，但它的功能和易用性和商业EDA软件相比还是不能相提并论。

　　2)板卡制造成本。自己制作一块FPGA原型系统板的成本是相当可观的。

　　3)上市时间。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，更是使务实的设计者望而确步。

　　4)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。如果设计实际系统，人们更关心的是如何能解决问题。

　　5)厂商支持。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，尤其在不发达国家中，更多起着硬件设计知识传播的作用。不过，谢凯年对电子工程世界说，中国其实是最适合学习开源硬件，因为中国的IP保护相较很多国家还是较弱。