硬件开源为什么如此之难?

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开源硬件会像开源软件给软件业带来的影响那样,也给硬件相关技术(以及硬件团队自身)带来巨大发展吗?这也许是每一个硬件工程师(当然也包括软件工程师)都会思考的问题。硬件与软件毕竟不一样,本文主要从硬件开源与软件开源的区别的角度,来简单说说硬件开源为什么那么难。

首先我们要明确的是:硬件的开源工作远远要比软件复杂。

为什么呢?因为硬件工程相对于软件工程而言,有着以下几个本质的区别:

1、模块化,标准化,以及修改的便捷性

软件产品都有着定义完整,并且可以随时调整输入输出。一旦一个软件模块编写运行测试通过,那么这个模块就可以被视作黑盒子,被另外一个完整定义的模块调用运行。只要软件之间的接口不变,那么各个模块之间的逻辑就不会发生变化,这就使得软件的开发人员之间可以仅仅通过定义好的接口来互相合作,而无论这些开发人员身处何处。

而在硬件领域,工程师们就没有那么幸运了。这个世界上不存在只要知道接口就可以加入设计使用的硬件。硬件的选型是一件很麻烦的事情,即使工作很多年的硬件设计师,在选用从未使用过的硬件设备时,也很有可能在接口电压或是时钟频率的匹配这种“小事情”上栽跟头 —— 随便哪里冒出来的一个接触电阻和寄生电容就可能把整个电路给弄砸了。

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硬件设计师们没有强大的IDE(Integrated Development Environment,集成开发环境),没有美好的编译器和解释器,所有硬件工程师都在第一堂EDA(Electronic Design Automation,电子设计自动化)设计课上被告知:“软件仿真是不可靠的,只能作为参考。”硬件设计唯一能依靠的就是扎实的理论基础和反复的实验检测。像是“一个中国工程师和一个美国工程师远距离合作开发出来一个信号采集器”这种在开源软件看来很正常的合作模式,在硬件领域是不可能发生的。硬件设计师们必须坐在一起跑仿真,测芯片,焊板子。

有的人可能就问了:“为什么硬件不能像软件那样标准化,提供接口刷一下rom呢?”

那是因为我们身处的这个物理世界是没办法标准化的。硬件直接和物理世界打交道,老天爷没把这世界做的标准化,我们也没办法。现在硬件模块化已经做的很好了,尤其是数字电路这块。问题主要是模拟电路,电容电感电阻,这些量无处不在,电路的几何形状,材料,加工工艺都会影响这几个参数,实在是没法在设计时标准化。比如,两根导线之间距离的不同所产生的互感和电容差值就可能导致电路无法正常工作,这玩意我觉得实在是很难标准化。设计模块的时候总不可能把所有引脚的线长、线宽、线距都规定好吧?这种问题到了高频和小尺度的时候就会特别明显。

2、生产和发布成本

在软件开发过程中,一旦某个模块的接口需要改变,那么软件工程师所要做的就是坐在电脑前修改代码然后使用短信,电话,email或是git,svn这些工具通知所有需要使用这个模块的人,大家一起调试通过后,修改就完成了。这个过程的沟通成本和修改成本,除了人力以外,基本为零。发布软件的成本那就更低了,以前好歹还需要用软盘光盘这样的载体,现在有了互联网,那基本都是零成本了。

硬件开发的情景则相反,硬件工程师先是千辛万苦跑了无数仿真做出来电路,送到工厂再花不少钞票制作出来之后,示波器、逻辑分析和频谱分析仪(他们都价值不菲)会用严酷的事实告诉你:你这个东西不对。如果你做的是板级电路,那么恭喜你,运气好的话rework其中的某些器件也许就能够拯救你的设计。如果你做的是芯片级设计,那么就准备好再花个几十万做剖面、X光、FIB等找出问题,重新流片看看老天爷是不是能保佑你吧。

硬件的设计修改成本实在是太高了,这也是为什么现在Arduino之类的通用板和IP core的市场这么火的原因。

另外,等做出产品热卖了,那么随之而来的仓储、货运、分销、售后等体系的建设,绝对也是花钱如流水。在硬件产品公司中,开发人员的成本往往只是很小的一部分。

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3、入行门槛

在软件业极度发达的今天,任何具有良好逻辑思维能力的人只要感兴趣,就可以通过互联网获得足够的教育从而称为一名软件开发人员。而所有的投资仅仅只是一台可以上网的电脑。这就使得现在的程序员数量不断上升,你总是可以碰到几个闲着找事的程序员一起来合作一些有趣的事情。

而硬件这行当,至今仍然还需要科班出身的专业人员来进行设计开发,我没有见过自学成才的优秀电子硬件设计工程师。为什么呢?仪器耗材只是原因之一;另一方面,硬件设计需要扎实的物理和数学基础。无论是麦克斯韦的电磁理论,还是香农的信息论,亦或是傅立叶/拉普拉斯变换,都不是一朝一夕能够搞明白的,没有大量的时间深入学习和实践,真的很难达到实用的水平。相比之下,hello world和实战之间的距离实在是很近。硬件工程师的培养周期很长,光凭兴趣,靠自学真的很难坚持下去。

就算你只是把硬件买回来组装,自己只是搭板子,其难度也取决于硬件工程师自身的基础和设计目标之间的距离。比如Arduino对新手来说已经算是足够简单了,但要玩转Arduino也至少要懂C、懂单片机、懂各种板级接口。如果要上传感器或电机伺服器的话,至少还得懂点ADC和马达/PID。

培养一名合格的硬件设计工程师,需要大量物理和电子方面的基础理论学习,并且伴随大量使用各种仪器的实习工作,这其中的时间和材料成本是非常高的。硬件工程师数量不多,加上之前提到的协作的困难,使得找一批搞硬件的聚到一起做风险很高的开源工作很不容易。

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总而言之,硬件的开源要做起来,就需要克服设计非标准化、成本高、入行门槛高这几个问题。而在我看来,这些问题很难在短时间内被解决。或许像Arduino和IP core这样的解决方案能够在某些领域获得突破,但就总体的电子电路设计而言,我尚未看到很好的开源模式。不过物联网应该是个缓慢持续地将整个社会数字化的过程,我个人认为这个过程将会持续相当长的一段时间(10年以上),这期间会发生什么,还是拭目以待吧。

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