为什么说开源硬件的好日子即将到来[翻译]

全文译自开源硬件的先驱者,目前最成功的开源硬件产品Chumby的硬件团队组长Andrew ‘bunnie’ Huang在刚刚举行的2011开源硬件峰会上的演讲:Why the Best Days of Open Hardware are Yet to Come,原文链接在这里

最近我在2011开源硬件峰会上做了一次演讲,峰会组委会请我做一些前瞻性的发言,展望一下开源硬件未来二三十年的境况。大家都知道这类“展望”其实大都不太靠谱,我自认也不是那种很有预见性的人,不过还是勉力一试吧。还好,演讲受到了峰会参与者的欢迎,现在我就把自己的想法在博客里和大家分享一下。

摘要

目前开源硬件只是一个小众行业,在本文中,我会列出一些技术趋势,正是这些趋势导致了硬件行业的主导权被大型、封闭经营的企业所掌控,同时压制了小型企业及个人创新者。但是,展望未来二三十年,我看到一些根本性的改变正在发生,从而将本行业的发展重心从规模经营向崇尚创新转移。

回顾历史:从开放到封闭

收音机电路图

起初硬件行业也是开放的,早期的消费电子产品,比如吸尘器、电子管收音机一般都会带有详细的用户手册,其中包括了完整的电路图,可更换的元件清单,及装配指南等。在80年代,计算机通常都会带有电路图。比如苹果II型电脑在包装中就有一份完整的主板电路图,也正是这张图,吸引我走上了硬件行业。但是,现在的产品用户手册却没有了以往这样详细的信息,在最新的Mac Pro电脑的用户手册中,最复杂的一张图表是教用户怎么坐在计算机前面,“大腿轻抬”,“肩膀放松”,仅此而已。
如何坐在计算机前面

发生了什么事,是电器产品变得太复杂了么? 其实正相反,改进电器产品正在变得更加容易,只是小规模创新的力量在摩尔定律面前显得太渺小了。

当前现状:坐等强于创新

请看下面这张摩尔定律的示意图,标识出纵坐标代表的那些“好事”(性能、晶体管密度、同样价格可购买到的晶体管数量……随你挑吧)每18个月翻一番。这张图纵坐标的单位是标准线性的,而大部分其它类似示意图的纵坐标单位是对数性的,从而将下面图中陡直上升的曲线压成一种看上去没那么恐怖的斜线。
摩尔定律减速后与逐步改进模式对比图

如上图所示,红线代表摩尔定律的发展模式(性能每18个月翻一番)与蓝线代表的逐步改进发展模式(性能每年提高75%)的对比,注意纵坐标是线性标识的。

蓝线标识的逐步改进模式代表了小规模创新者,他们专注于一个工作项目,能够持续不断的改进和增加功能,每年取得大约75%的性能提升。图中左侧夹在两条线间的那可怜的一小片绿色代表了这种发展模式有可能超越摩尔定律模式的市场机会。

将这两条线并列展示有助于我们理解过去三十年间小规模创业者面临的核心问题:那就是与其创新,不如坐等。花两年时间不断创新改进一个系统,可能带来性能成倍的提升,但是也可以什么不干,等两年后硬件升级,性能自然也就提升到同样程度。在这方面,小规模创业者的不断努力与摩尔定律相竞争简直就是鸡蛋碰石头。

摩尔定律代表的这种指数性增长的机制一般只有大企业才有资源和能力去实现,这样的公司不会象小规模创新者那样只关注一种产品,为了应对竞争,他们必须调集足够的资源,有足够的远见,同时开发3到4代产品。此外,要让一代新技术在其生命周期内在全球市场上实现盈利,也要有能够支撑每月百万单位级别的供应链和分销体系。这样的规模是很可观的,作为比较,一个小规模企业即使能够实现每月卖出10000件产品,也要花费8年时间才能达到百万级用户规模,或者1%的美国市场占有率。另外,大型企业每推出一款新的产品,都会迫使竞争者花费时间和精力去进行逆向工程以便推出竞争产品,这样就能建立起短时间(一般是几个月)的壁垒期,而大企业通过不断推出新产品可以将这些壁垒期积累起来,从而形成显著的竞争优势。就这样,在过去三十年中,对小规模创新者而言,技术市场的门槛正在变得越来越高,他们只能勉强跟随在大公司的后面亦步亦趋。

但是,这样的趋势正在改变。

未来的方向:家传笔记本电脑

下图是英特尔CPU速度随时间变化的示意图,在2003年突然出现了一个平台期,CPU速度停止加快了。从那以后,CPU制造商开始使用多核技术来驱动性能的提升(有效的性能提升预测由粉色线条表示),这种情况的发生当然不是他们所希望的,一些物理条件的限制(主要在能源和布线延时规模)使得我们无法再轻易提升速度了。晶体管密度继续提高(从而带动核心数量),但是提升步调已经慢了下来。在90年代,晶体管密度一直在以每18个月翻一番的速度提高着。现在,要翻一番则需要24个月时间。很快,这种提升速度将进一步降低到每36个月一代产品,最终甚至会停滞在某一个阶段。具体的极限估值仍然有争议,有一篇研究指出,这一绝对数值是5纳米门电路宽度,而达到这一极限的时间大约在2020或2030年 (H. Iwai, Microelectronics Engineering (2009), doi: 10.1016 / j.mee.2009.03.129)。5纳米大约是100个硅原子的宽度,所以即使这一猜测是错误的,那么偏差也不过就在几代产品时间之内。
英特尔CPU速度提升示意图

这将带来深远的影响:某一天你将无法再指望在第二年买到更快的计算机,你的手机也不会在功能更强大的同时还能够日益缩小体积。明年买的U盘跟今年相比价格差不多,存储空间也不会增加。“家传笔记本电脑”的说法在今天看来是个笑话,但未来却很有可能发生。

这种发展速度变慢的趋势对小企业来说是一件好事,同样对于开源硬件的发展也是一样。为了证明这一点,我们再次审视上面关于摩尔定律与逐步改进模式对比的图示,这次加上两条新的曲线,分别代表了以24个月为周期及36个月为周期的调整后的摩尔定律。
摩尔定律减速后与逐步改进模式对比图

如图,蓝线代表逐步改进模式,而红线代表以18个月为周期的摩尔定律,黑线代表以24个月为周期的摩尔定律,粉线代表以36个月为周期的摩尔定律。夹在粉线和蓝线之间的绿色区域代表当摩尔定律调整为36个月周期后,逐步改进模式能够超越摩尔定律模式的时间窗口,请注意本图的纵坐标改为指数坐标系。

同样,绿色区域可以理解为逐步改进模式战胜摩尔定律模式的市场机会,在36个月周期的摩尔定律前提下,逐步改进模式在被超越前可以拥有长达8年的领先期,而在第2至第3年时,可以拥有相当大的领先幅度。换句话说,善于实践逐步改进模式的中小型企业,将会获得得天独厚的市场机遇,将他们的创新实践转变为销售利润。

当摩尔定律开始减速后,还有可能出现在标准化方面更加持久的平台产品。如果未来各种功能组件不会象现在这样在体积和性能方面日新月异的话,创建一个标准化的平板电脑或手机基板类的平台产品,让用户可以在上面插入可互换部件的做法无疑是很实际的。技术发展减速以后,这种标准化平台产品会在手机和嵌入式设备(如Arduino)行业领域中集中出现,这种稳定的,性能有竞争力的开放平台会对小型企业的发展大有助力。当然,小型企业一样可以选择走封闭发展的道路,但是这样做就意味着需要以一己之力维持产品所需的完整的基础架构,必然会分散企业的力量,降低竞争力。

在后摩尔定律的未来,FPGA(现场可编程门阵列)为代表的定制电路的性能可以和(大公司开发)的封闭设计的CPU一比高低,原因有二:FPGA得益于可以在制造公差允许的范围内进行细微的电路重设,硬件架构稳定但设置方式灵活多变,因此发展空间广阔;在优化代码以适配硬件性能提升方面,封闭设计的CPU依赖于复杂的大规模并行计算技术,相比之下,FPGA方式更简单易行。实际上,今天的多核CPU架构和90年代中末期在学术圈内提出的一些FPGA设计草案是非常相似的。(小型创新企业可以掌控的)FPGA类定制电路的性能可以与(大公司设计制造的)CPU性能并驾齐驱,这将极大地促进开放硬件平台产品的发展和普及。

这将复兴修理的文化,因为技术产品将更加耐用而不是现在这样随手丢弃。为五年前购买的计算机更换用旧了的部件不会显得很傻,因为现在的产品在价格和性能上可能并没有什么变化。这样的变化会刺激产品附带电路图和可更换备件的强烈需求,因而带动开放生态环境和小型创新企业的发展。

从个人来说,我期待着工程师会变得象旧日的手工艺大师,以优雅、细致、平衡的方式一点一滴地提高技艺,而且可以经年累月地使用自己趁手的工具,不用担心会被看作老古董(现在每次我提到还在使用Eudora7做电子邮件客户端时就会被人嘲笑)。

例证

摩尔定律减速的影响已经在一些对性能追求不是特别敏感的领域体现出来了,比如Arduino平台的崛起,这个产品用了好几年的时间慢慢积累它的影响力,而它的核心硬件设计从2005年起就基本没有改动过。幸运的是,Arduino主要使用者(物理计算、教育、嵌入式设备)的基本需求并没有大的改变,因此硬件平台可以维持稳定。而这种稳定使得产品可以采用一种开放和合作互惠的模式,支持起一个快速增长的用户社区。

另一个例子是中国的山寨现象,简单说的话,山寨就是大量的小公司,以四处”借鉴”技术和设计的方式形成的业态环境。山寨厂商最擅长的就是制造低端功能手机,这类手机的市场对CPU性能的提升一点也不感冒,用户才不会用上G Hz的CPU去驱动那些界面简单的手机,因此同样的基板设计可以不断复用好几年。这种稳定的技术平台可以让规模小,灵活又有创新能力的公司有足够的时间全面掌握,并通过不断改进获得收益来收回投资。很多时候,这种方式可以用相当低的成本,催生出惊人的创新产品。一开始,人们总是把山寨看成简单的抄袭,但是得益于低端手机平台的稳定性,山寨厂商可以很好的掌握他们的工具,进而产生各种新奇和有创意的产品。

展望未来,我们的舞台已经搭建起来,只要努力工作,再加上一些好运气,我们就可以让开放硬件生态环境蓬勃发展起来。摩尔定律不可避免的减速趋势也许会给那些技术巨人造成麻烦,但是却可以给还在蹒跚学步的开源硬件运动开创机会,让他们可以生根发芽,生长壮大。要想抓住这个机会,今天的开源硬件先锋们需要身体力行建立起宽松的标准,并不断调整它适应未来的发展需要。

我十分期待能够参与到开源硬件的光明未来中。