Open Source & IoT Open Source IoT – es geht nicht mehr nur um Software

Von Frédéric Desbiens*

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Wer an IoT-Projekten für Unternehmen arbeitet, benötigt Hardware- und auch Softwarekomponenten in geeigneter Qualität. Auch Open-Source-Ansätze können diese Anforderungen erfüllen.

Kombinierte Open-Source-Hardware- und Software-Ökosysteme eröffnen Unternehmen neue Möglichkeiten.
Kombinierte Open-Source-Hardware- und Software-Ökosysteme eröffnen Unternehmen neue Möglichkeiten.
(Bild: gemeinfrei / Unsplash)

Im Grunde bedeutet Open Source die Freiheit, auf den Quellcode zuzugreifen, ihn zu verändern und weiterzugeben. Der Zugang zum Quellcode ist wertvoll, wenn Nutzer eine Lösung über einen langen Zeitraum hinweg pflegen müssen. Darüber hinaus erleichtert Open Source die Integration von Komponenten verschiedener Anbieter und die Anpassung eines Stacks an die spezifischen Anforderungen einer Anwendung. Wir bei der Eclipse Foundation und unsere mehr als 320 Mitglieder sind der Überzeugung, Open Source ist der beste Ansatz für die Realisierung von IoT-Systemen.

Ein weit verbreitetes Missverständnis über Open Source ist, dass das Konzept mit kommerziellem Erfolg und Rentabilität unvereinbar sei. In Wahrheit haben Unternehmen aller Größenordnungen für sich entdeckt, dass die gemeinsame Nutzung von Ressourcen gleichzeitig auch Ressourcen für Innovationen freisetzt. So schafft offene Zusammenarbeit gute Voraussetzungen für den kommerziellen Wettbewerb.

Open Source Hardware ist auf dem Vormarsch

In den frühen 1990er-ahren eroberte Open Source die Software-Welt. Zu den ersten Erfolgen aus dieser Zeit gehören das Betriebssystem Linux und der Apache-Webserver. Heute macht Open-Source-Code 80 bis 90 Prozent aller proprietären Anwendungen aus. Es ist daher nicht verwunderlich, dass eine Umfrage der TODO Group aus dem Jahr 2020 ergab, dass 81 Prozent der Unternehmen Open Source in ihren Produkten oder Dienstleistungen verwenden.

Open-Source-Hardware hingegen ist ein sehr viel jüngerer Trend, der aktuell sehr an Popularität gewinnt. Dennoch hat er an Popularität gewonnen. In der Ausgabe 2021 des Eclipse IoT and Edge Developer Surveys, gaben beispielsweise neun Prozent der Befragten an, die quelloffene Risc-V-Architektur zu verwenden. Risc-V wurde 2010 von Forschern der University of California entwickelt. Weitere acht Prozent erwähnten die Core-V-Core-Familie der OpenHW Group, bei der es sich um quelloffene Prozessorkerne und Mikrocontroller-Designs auf der Grundlage von Risc-V handelt. Die OpenHW Group wurde im Juni 2019 vorgestellt.

Die Eclipse Foundation und die OpenHW Group arbeiten eng zusammen, um ein umfassendes Open-Source-Ökosystem für IoT und Edge Computing aufzubauen, das Hardware und Software umfasst. Doch bevor diese Initiative in den Blick genommen wird, wollen wir uns darauf konzentrieren, warum Open Source im Zusammenhang mit Hardware Sinn ergibt.

Warum Open Source Hardware sinnvoll ist

Hardware hat einen großen Einfluss auf das Design von IoT-Lösungen. Die Nutzung von Open-Source-Komponenten bringt den Geräteentwicklern besondere Vorteile:

  • Stromverbrauch: Normalerweise optimieren IoT-Entwickler ihren Code auf Größe. Sie möchten den Stromverbrauch so gering wie möglich halten. Wenn sie sowohl die Hardware als auch die Software kontrollieren, ist es einfacher, das gewünschte Leistungsprofil zu erreichen.
  • Stabilität: Open-Source-Hardware bietet eine stabile Hardwareplattform über den gesamten Lebenszyklus eines Geräts oder einer Lösung. Wenn ein bestimmter Anbieter eine Komponente einstellt, ist es immer möglich, eine andere Quelle für diese Komponente zu finden.
  • Flexibilität: Open-Source-Hardware ermöglicht es Entwicklern, die Komponenten zu erweitern und zu verbessern. Da IoT- und Edge-Computing-Lösungen oft an abgelegenen Orten oder in rauen Umgebungen eingesetzt werden, ist die Möglichkeit, die Hardware an den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen, wertvoll.

Es gibt also viele Gründe, sich für einen Open-Source-Ansatz bei Hardware zu entscheiden. Die niedrigeren Kosten, die sich aus dem frei verfügbaren geistigen Eigentum ergeben, sind nur ein Beispiel. Das Aufkommen des Risc-V-Befehlssatzes und der Open-Source-Prozessor-IP, die ihn nutzt, macht diese Strategie für Unternehmen jeder Größe möglich.

An der Vorhut: Die OpenHW-Core-V-Familie

Die OpenHW Group ist eine gemeinnützige, globale Organisation mit Sitz in Kanada, in der Hardware- und Softwareentwickler zusammenkommen, um Open-Source-Prozessorkerne, zugehörige IP, Tools und Software zu entwickeln. Die Inhalte des OpenHW-Ökosystems werden in öffentlichen GitHub-Repositories entwickelt. Die Prozessorkerndesigns sind in der Sprache Systemverilog definiert und unter der Solderpad Hardware License Version 0.51 verfügbar. Diese Lizenz basiert auf der Apache License 2.0 und vereinfacht die kommerzielle Nutzung.
Gegenwärtig gehören alle derzeit verfügbaren Kerne der OpenHW zur CORE-V-Familie. Die CVA-Familie der Core-V-Prozessoren ist für Gateways und Edge Nodes geeignet, während die CVE4-Familie auf Mikrocontroller-Cores abzielt.

CVA6-Familie

Der Core-V CVA6, der ursprünglich als Pulp Ariane-Core bekannt war, ist ein sechsstufiger Single-Emission-In-Order-Core. Er verfügt über alle Funktionen, die zur Ausführung eines Unix-ähnlichen Betriebssystems wie Linux erforderlich sind.

CVE4-Familie

Die CVE4-Familie besteht aus mehreren Kernen. Die drei wichtigsten sind:

  • CV32E40P: Der ursprünglich als Pulp RI5CY-Core bekannte Core-V CV32E40P ist ein 32-Bit-Core mit vier Stufen, der DSP-Operationen unterstützt. Er implementiert außerdem SIMD-Operationen (Single Instruction, Multiple Data), die ihn bemerkenswert effizient machen.
  • CV32E40X: Der Core-V CV32E40X ist ein kleiner, effizienter 32-Bit-RISC-V-Core mit einer 4-stufigen Pipeline. Der CV32E40X-Core bietet eine Mehrzweck-Erweiterungsschnittstelle, über die Sie den Core um externe kundenspezifische Erweiterungen ergänzen können.
  • CV32E40S: Der Core-V CV32E40S ist ein kleiner, effizienter 32-Bit-RISC-V-Core mit einer 4-stufigen Pipeline. Der CV32E40S-Core wurde für Sicherheitsanwendungen entwickelt und bietet sowohl einen Maschinen- als auch einen Benutzermodus, einen verbesserten Schutz des physischen Speichers und verschiedene Funktionen zum Schutz vor Manipulationen.

Mikrocontroller: Core-V MCU

Ein Prozessorkern allein verfügt nicht über alle Funktionen und Peripheriegeräte, die für reale Anwendungen erforderlich sind. Aus diesem Grund hat die OpenHW Group das Core-V-MCU-Projekt ins Leben gerufen, dessen Ziel es ist, einen Mikrocontroller zu entwickeln, der den CV32E40P-Kern nutzt. Der Mikrocontroller bietet Peripheriegeräte, die eine breite Palette von IoT- und Embedded-Anwendungen ermöglichen. Entwickler, die ihn testen oder modifizieren möchten, können den Chip auf den Nexys A7- oder Genesys2-FPGA-Boards von Diligent einsetzen. Die OpenHW Group plant jedoch, noch dieses Jahr Entwicklungsboards anzubieten.

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Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) sind programmierbare Halbleiterbausteine, die für einen Open-Source-Hardware-Workflow entscheidend sind. Sie sind wichtige Werkzeuge für Chipdesigner, da sie es ermöglichen, Änderungen an einem Prozessorkern oder einer MCU zu testen, ohne dass die eigentlichen Halbleiter hergestellt werden müssen.

Auf dem Weg zu einem umfassenden Open-Source-Ökosystem

Die Core-V-Familie ist an sich schon ein Wendepunkt für die Branche. Sie macht Open-Source-Hardware in kommerzieller Qualität für Unternehmen jeder Größe zugänglich. Das wahre Potenzial von Core-V zeigt sich jedoch erst, wenn man das breitere Ökosystem betrachtet. Die IoT Working Group der Eclipse Foundation repräsentiert die größte Open-Source-IoT-Community auf dem Markt, mit über 50 relevanten Projekten, die eingeschränkte Geräte, IoT-Gateways, Edge Nodes und Cloud-IoT-Plattformen umfassen. Die folgende Abbildung zeigt, wo die am weitesten verbreiteten Projekte in eine typische IoT-Architektur passen.

Projekte der Eclipse Stiftung, die in eine typische Iot-Architektur passen.
Projekte der Eclipse Stiftung, die in eine typische Iot-Architektur passen.
(Bild: Eclipse Foundation)

Ein umfassendes Open-Source-Ökosystem entsteht, wenn man die Beiträge der Eclipse Foundation und der OpenHW Group kombiniert. Hier zeigt sich der Fokus der Eclipse Foundation auf Entwickler, da die Community der OpenHW Group robuste Plattformen nutzen kann, um Entwicklungswerkzeuge zu erstellen, die auf die Bedürfnisse von CORE-V-Entwicklern zugeschnitten sind. Die folgende Abbildung veranschaulicht die Zusammenarbeit der beiden Organisationen.

Die Beiträge der Eclipse Foundation und der OpenHW Group werden für ein umfassendes Open-Source-Ökosystem kombiniert.
Die Beiträge der Eclipse Foundation und der OpenHW Group werden für ein umfassendes Open-Source-Ökosystem kombiniert.
(Bild: Eclipse Foundation)

Was das für Sie bedeutet

Das Beeindruckende an kombinierten Open-Source-Hardware- und Software-Ökosystemen ist nicht die Technologie, sondern die Möglichkeiten, die sie eröffnet. Durch die Kombination von OpenHW-Hardwaredesigns mit Eclipse-Softwareplattformen können Unternehmen Lösungen und Dienste schneller und in besserer Qualität entwickeln als im Alleingang. Die Nutzung von Open-Source-Technologien ist nur der erste Schritt bei der Übernahme des Geschäftsmodells. Der wahre Wert liegt in der Beteiligung an den Projekten und der Gemeinschaft. Unternehmen, die sich an Open-Source-Projekten beteiligen, konnten beispielsweise eine 100-prozentige Produktivitätssteigerung bei den an diesen Projekten beteiligten Entwicklern feststellen.

Im Zuge der digitalen Transformation werden in Zukunft die Unternehmen erfolgreich sein, die die Kunst beherrschen, sich an Open-Source-Communities zu beteiligen und zu ihnen beizutragen. Das betrifft nicht nur die Technologieanbieter, sondern auch die Endnutzer. Beide arbeiten mit der Eclipse Foundation und der OpenHW Group bereits Hand in Hand. Jetzt ist es an der Zeit, sich anzuschließen.

Dieser Artikel stammt von unserem Partnerportal Industry of Things.

* Frédéric Desbiens ist Programm-Manager IoT und Edge Computing bei der Eclipse-Stiftung.

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