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开放硬件:原理及成因

将开源的概念应用于物理硬件

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何为开放硬件?

在 20 和 21 世纪,开源软件无疑成为了技术和商业领域的最成功故事之一。开放软件运动是 Dennis Allison 在 1975 年发布它的 Tiny BASIC 时开创的,他那一句 “让我们站在彼此的肩膀,而不是彼此的脚趾上。”也成了开创性的名言。 Dr. Dobb's Journal 的主编 Jim Warren 在 1976 年 7 月的时候就 Association for Computing Machinery (ACM) Programming Language 进一步地阐释了这个概念:“如果软件免费或者不贵,那么相比复制而言,人们更愿意付钱,这样一来,软件就不会受盗。” 九年后,在 1985 年,Dr. Dobb's Journal 发表了 Richard Stallman 最初的 GNU 宣言,吹响了免费软件运动的号角。如今,共享基本设计的概念催生了很多现今广为采用的一些软件,包括 GNU 工具和 Linux® 操作系统,并且创造了数十亿元的产业,吸引了传统的专有软件巨头,比如 Sun Microsystems、Novell 和 IBM®。

如今,开源软件的成功正在创造一个新的运动:开放硬件。自 20 世纪 90 年代末,工程师们就已经想到了一些方法来将开源的概念应用于计算机和电子硬件。而主要的障碍当然是软件很容易复制并且可以被免费复制,而硬件则由实实在在的物体构成的 — 用 Chris Anderson 的话来说就是 “原子的而非比特的”。另外,硬件基本上都是受专利保护,而不是受版权保护的,而专利的获得和捍卫是很昂贵的。那么硬件如何能成为“开源”的来享受开源所带来的巨大好处呢?

开放硬件中“开放”的意思与开放软件中是一样的 — 就是 Stallman 在其 GNU 宣言中所讨论的 “如讲话般自由” 的概念。 硬件永远不可能像啤酒那样免费,因为复制总是会有成本,即便最诚意的倡导者也负担不起无限地免费提供硬件产品。不过,硬件产品也是一种设计的实现,并且硬件的 设计,以及由这些设计创造物理产品的许可,不管是受版权保护的还是有专利的,实际上是可以以一种开放许可的方式向公众提供的。而许可则由所有者决定。

实际上,开放硬件的正式概念还在形成当中。一个由贡献者组成的工作组自 2009 年继 Bruce Perens 的开源定义之后就开始研究这个定义。新的 Open Source Hardware (OSHW) 定义的版本目前是 V0.4 并且仍在 Open Hardware Summit 网站论坛的讨论当中。

开放硬件项目

目前,已经有很多成功的开放硬件项目。本节讨论了其中的一些。

Power.org

2004 年,IBM 创建了 Power.org 作为其 Power Everywhere 创意的一部分, 将 Power Architecture® 建成了一个开放硬件项目,具有免费许可的标准、设计和规范。IBM 在 2006 年宣布了向研究和学术机构免费开放 PowerPC® 405 core 的计划,到目前为止,有 40 多家大学参加了这个项目。

OpenSPARC T1

Sun Microsystems 也紧跟着在 2006 推出了 OpenSPARC T1,这是其成功的 SPARC 处理器的一次全开放实现。目前,有三个基于 Reduced Instruction Set Computer (RISC) 的 SPARC 架构的全开放实现,源代码用 Verilog HDL 编写,在 GNU Public License (GPL) 许可下发布。

BeagleBoard

BeagleBoard 是一个基于 Texas Instruments 的 Open Multimedia Application Platform 3 (OMAP3) system on chip (SoC) 的单板计算机,它包括一个基于 ARM 的微处理器和一个数字信号处理器。BeagleBoard 使用了与很多智能手机和上网本相同的处理引擎,使它足够强大,完全能够运行一个完整的 Linux 发行版和提供高分辨率视频。BeagleBoard 受一个规模很大的社区支持,而它的设计文档,包括生产用的印刷电路板 (PCB) 的架构草图,均可免费下载得到。而且它还孵化了几个相关的项目。

Arduino

Arduino 是一个面向终端用户设计的微处理器,具有易学易懂的编程模型、一个可供任何人使用的全开放设计,以及一个由文档、扩展板、派生产品和社区组成的大型生态系统。根据 O'Reilly Publishing 的 Make 杂志及每年的 Maker Faire — 喜欢向项目中添加灵活的电子特性(从闪光发光二极管到复杂的飞机导航系统)的硬件发烧友,它已经被 DIY 爱好者和玩家推崇的、发展得如火如荼的 “Maker” 运动广泛采用。

OpenCores.org

OpenCores.org 是一个始于 1999 年的开放硬件机构的先驱,它是开放处理器核的门户,提供了在各种开放许可下提供的诸多处理器核的设计文档,包括一个免费的 RISC 计算平台、几个微控制器、两个 SoC 以及一些算法、通信和其他的核,其中大多都是用 Verilog HDL 描述的。

开放电子设计

几家小型的公司现在在生产全开放的电子设计。有些创建的是工具箱或小部件,而其他的则会创建专业品质的产品。之前只对大公司开放的制造过程现在也对小型组织开放了。

免费项目

有些项目是完全免费的,且只为他人提供构建其项目的计划,并且有些项目,比如最近很热门的桌面 3-D 打印机,甚至可提供自复制的方式。

开放硬件的许可

通常硬件设计是受专利和版权保护的,或至少受专利保护。专利在概念上与版权类似,因二者都是由政府提供的对创意的一种保护,但它们在适用范围上是有区别的。这个主题很复杂,本文只能做最基本的介绍。

版权和专利本身是由政府保障的所有权的法律认可。一项创造发明经法律认可的所有者具有限制或允许他人使用该发明的权利,并且这种允许是通过许可(license)的方式授予的。传统的专有硬件公司通常会通过合约的方式将其专利设计许可他人使用 — 比如,Advanced Micro Devices Inc. (AMD) 就是基于从 Intel 获得的许可创造了微处理器。

版权保护的是 表达的方式 而不是受保护目标的主体。所以有这样的可能,即版权保护的是发明的设计,比如描述微处理器的文档,而非处理器产品本身。只要创作者的创作被以永久的格式固定下来,版权就会被自动授予创作者。在美国,美国版权局还会收取很小的一部分版权登记的费用。

而专利持有者则被赋予了“拒绝他人制作、使用、标价出售或销售”发明的权利。从定义来看,专利是排他的,因而是不允许开放硬件(开放软件)所倡导的这种共享的。不过,很多发明者之所以选择为其设计申请专利主要是为了阻止对于硬件很有可能发生的直接的逆向工程。专利在美国申请起来成本很高,因为它们必须经美国专利和商标局研究,并且在法庭上维权的成本也不菲。

现在已经有大量的开放许可可供硬件创作者使用。不过,其中的大多数,比如 Berkeley Software Distribution (BSD)、Massachusetts Institute of Technology (MIT)、GPL 以及 Creative Commons 许可,都是特别围绕着版权设计的。

Creative Commons 最近正致力于围绕专利创建“自由区” 以便使专利持有者能够向他人开放他们的硬件设计。通过以这种方式共享设计,个人和公司就可以在其硬件项目的某些部分相互协作,而同时又能在其他的层面有所差异。

会议报告:Open Hardware Summit 2010

Open Hardware Summit 于 2010 年 9 月在 New York Hall of Science 召开,一整天的时间,开放硬件的杰出人物、法律专家和教育者纷纷演讲发言。峰会采取的是一种真正的开源的方式,由一组来自几家公司的贡献者出头组织,其中包括来自 Bug Labs 的 Alicia Gibb 和来自 Bug Labs 的 Ayah Bdeir。本文只简单例举了其中的一部分演讲,它们均可以以(通过开放许可)音频和视频的格式获得,但有几个非常优秀的演讲在这里并没有涉及。 更多信息,请访问 Open Hardware Summit 网站(参见 参考资料)。

为何做开放硬件?

开始的一组发言聚焦在工程师选择开放硬件设计背后的原因。来自 Adafruit 的 Limor Fried 有声有色地讲述了她开创一家开放硬件设计公司的体验,尽管 —甚或因为 — 她的一个设计曾经被盗。她用“含混不清远比无处不在还要糟糕”重新定义了成功的含义并指出了让硬件开放的三个本质原因:

  • 可以加入志同道合者的社区,这些人中既有水平相当的也有自己敬佩的
  • 可以创造一些有长久意义而不是短暂即逝的东西:“我们所创造的要长久过我们自己”
  • 而最重要是可以成为一名更好的工程师

Fried 说:“当我只是为自己设计一些东西时,我多半会采取捷径[并且根本]不会像知道有 10,000 人将会研究它、评论它并就它提问并尝试构建它时那样加倍小心。” 总之,她说,通过让硬件开放,您得到的要比付出的多。

也是在这块讨论中,来自 Texas Instruments 的 Gerald Coley 大致介绍了 BeagleBoard 项目,讨论了不同的硬件“引擎”来驱动不同任务的需要。Bruce Perens 是 Open Source Initiative 的创始人之一,他讨论了开放硬件所面临的、类似于早先自由软件运动的一些障碍。Science at Creative Commons 的副总裁 John Wilbanks 则更深入地探讨了专利和版权保护以及 Creative Commons 是如何帮助创作者既保护了自己又开放了设计的,侧重于专利。

商业

由麻省理工学院技术创新教授 Eric von Hippel 主持的商业专题论坛,聚集了 Chris Anderson, DIYdrones/Wired;Peter Semmelhack, Bug Labs;David Carrier, Parallax;Phil Torrone, Adafruit/Make;Massimo Banzi, Arduino 的创作者;以及 Bunnie Huang, Chumby 的创作者之一。 Von Hippel 先是给出了一组统计数据,根据他的研究,在英国,有超过 290 万 DIY 者,占英国人口的 6.2%,这部分人的总共研发花费超出了英国所有工业研发费用的 2.3 倍。谈论显示作为商业领袖的每位专题论坛成员都就开放硬件以及它们在未来商业中类似于开源软件的作用达成了共识。硬件设计正在在市场的推力下慢慢转为开放,而其对创新和分享的积极作用则会贯穿整个工业。

产品化

在将硬件设计从工业领域带入社区所出现的问题之一就是产品化,即将一个项目转变成一个产品,并进而成为商机。O'Reilly Publishing 的编辑 Dale Dougherty 主持了开放设计产业化的主题论坛,这个论坛的成员有:Eric Pan, Seeed Studio; Matt Peddicord, Bug Labs; Clint Cooley, CircuitCo; Nathan Seidle, Sparkfun; Paulo Blikstein, 斯坦福大学教授,曾开发了 GoGoBoard; 以及 Taylor Hokanson, DIYLILCNC。

将一个开放项目转变成一个工业品是一个渐进的过程,但它从本质上与公司在产品化其内部的项目时所经历的过程是一样的。在这个主题论坛所讨论的主要问题是制造,制造常常需要产品数量很大才能从经济上可行。这通常会超出业余爱好者、DIY 者以及其他生产开放硬件者的能力范围。不过,有些制造商现在已经能够小数量生产了。比如,专题论坛的成员之一 CircuitCo 的 Clint Cooley 就说过他“现在能够生产数量上小到一个的电子零件。” 其他的行业,尤其是涉及艺术形式的,比如 T 恤衫,已经研究出了少量生产的方法。总之,制造业正在越来越接近于生产开放硬件的要求。

法律

法律专题论坛讨论的是建立规范并着重于终端用户对其购买产品的控制,而这正是开放硬件的驱动因素。这个专题论坛由 Arduino 项目的首席软件开发人员 David Mellis 和一名 MIT Media Lab 研究生主持,成员包括 Windell Oskay, Evil Mad Scientist 的经营者也是 Open Hardware Definition 草案的作者之一; Wendy Seltzer,在开源方面很有造诣的一名法学教授; Matt Stack,Liquidware,企业家; Michael Weinberg,PublicKnowledge.org 的律师;Peter Brown,Freedom Software Foundation 的总监及执行董事;以及 Open Hardware and Design Alliance (OHANDA) 的 Xavier Carcelle。Wendy Seltzer 很好地总结了法律观点:“不要以保护它的名义限制自由。”

图 1. Open Hardware Summit 专题论坛
Open Hardware Summit 专题论坛
Open Hardware Summit 专题论坛

结束语

开源开发是一个参与式的活动。了解开放硬件的最好的方法就是加入类似 Open Hardware Summit 这样的社区内的讨论,以及相关论坛和 wikis 以便从中了解数百种开放项目。

开放硬件的一个最大的好处,依 Peter Brown 所说,就是使用零件和产品以其原创者从未想到过的方式进行“意想不到的开发”。这是 Dennis Allison 早在 1975 年就给出的 “站在彼此的肩膀上”这一预言的体现。Jim Warren 在 35 年前就指出了偷盗免费的东西是不可能的,但是正如开源所证明的,使用免费的东西来创建更好的东西,然后再将这种益处自由地传递给他人则是非常可能的。

这也正是开源运动的精神所在:借助协作的力量来加速创新。


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ArticleTitle=开放硬件:原理及成因
publish-date=11222010