Offener Standard RISC-V Beschleuniger der 4. industriellen Revolution

Mikroprozessoren als IP, auf der Basis des standardisierten RISC-V-Befehlssatzes, bieten Entwickler neue Ansätze um schneller und effizienter als bisher Innovationen zu entwickeln. Von maßgeschneiderten SoCs, realisiert mit Open Source Hardware, wird auch der Bereich Industrie 4.0 profitieren.

Auch wenn die Bezeichnung des Wandels, den wir derzeit beobachten, als vierte industrielle Revolution umstritten ist, so ist die Veränderung offensichtlich. Die vierte industrielle Revolution ist gekennzeichnet durch sogenannte cyber-physische Systeme und das Internet der Dinge (IoT). Sie erlauben nicht nur datenbasierte, automatisierte und KI-gesteuerte Prozesse, Routinen und Dienste, sondern lösen letztlich auch die Grenze zwischen der digitalen und der physikalischen Welt auf. Neben einem immer höheren Vernetzungsniveau erfordert diese Entwicklung eine zunehmende Integration von Sensorik, Aktorik und Steuerung. Gleichzeitig werden künftig ein immer höheres Integrationsniveau und damit eine Vielzahl hochspezialisierter Halbleiterkomponenten erforderlich sein.

Open Source Hardware und offene Standards fördern Innovationen

Auf den ersten Blick scheint die Idee von frei zugänglichem geistigem Eigentum den Grundprinzipien einer wettbewerbsfähigen, marktorientierten Wirtschaft zu widersprechen. Offene Standards, mit denen die Interoperabilität konkurrierender Produkte möglich ist, werden als Werkzeuge für den Aufbau größerer Märkte anerkannt. Allerdings gelten gut geschütztes geistiges Eigentum und proprietäres Wissen seit der ersten industriellen Revolution als Schlüsselfaktoren für Innovation und Erfolg.

Das hat sich in den letzten zwei, drei Jahrzehnten geändert, da die wachsende Komplexität vieler Techniken zu mehreren Trends führte, durch die das Tempo der Innovation und Marktentwicklung zu verlangsamen drohte:

  • Viele Produkte basieren auf Hard- und Software-Funktionen, die so komplex sind, dass es gerade für kleinere und neu gegründete Unternehmen schwierig oder unmöglich wäre, sie vollumfänglich selbst zu entwickeln.
  • Ebenso übersteigen die Ressourcen, die für die Erkennung und Behebung von Fehlern in diesen Techniken oder für deren Anpassung an sich ändernde Marktanforderungen benötigt werden, die Ressourcen gerade kleiner Unternehmen.
  • Konzerne versuchen die Barrieren zu erhöhen, indem sie routinemäßig geistiges Eigentum schaffen oder erwerben, nur um potenzielle Wettbewerber an einem Markteintritt zu hindern.

Paradoxerweise dienten die erdrückenden Geschäftsbedingungen aber auch als Anreiz für die Entwicklung und Einführung offener Techniken ohne Lizenzgebühren, die von den jeweiligen Anwendern entwickelt und unterstützt werden.

Diese Entwicklung teilte sich in drei Phasen auf und begann mit Open Source Software. Die Open-Hardware-Bewegung, die etwas später folgte, passte viele der über ein Jahrzehnt hinweg entwickelten Konzepte und Lizenzkonventionen der Software-Pioniere an ihre Anforderungen an.

Erst in der dritten Stufe werden nun Open-Source-Lizenzmodelle auch auf IC-Entwicklungen angewandt, wobei hier vor allem die digitale Domäne im ursprünglichen Sinne Open Source gestellt wird, da analoge Schaltungsanteile sehr stark von der jeweiligen Halbleiterfertigungstechnik abhängen.

Gleichzeitig hat ein genereller Trend von integrierten Halbleiterherstellern zum Fabless-Modell in Kombination mit Foundry-Services dazu geführt, dass auch modernste Halbleiter-Prozesstechniken kleineren Unternehmen zur Verfügung stehen.

Offene Standards für schnellere Integration und Adaption

Die Bezeichnung als »offener Standard« ist zunächst irreführend. Letztlich kann eine Technik nur zum Standard werden, wenn sie Marktteilnehmern zugänglich ist. Insofern muss jeder Standard in gewissem Maße offen sein. Er muss allerdings keineswegs frei von Patenten sein. So ist es zum Beispiel theoretisch möglich den CAN-Standard ohne Verletzung von Patenten zu implementieren. Faktisch lizensieren IC-Hersteller aber immer die Patente von Bosch.

RISC-V unterscheidet sich in genau dieser Hinsicht von anderen offenen Standards. Der Befehlssatz RISC-V ist bewusst nicht durch Schutzrechte beschränkt und kann unter der BSD-Lizenz [1] (Berkeley Source Distribution) frei verwendet werden. Es können daher sowohl kommerziell vertriebene IP-Bausteine vermarket werden, als auch komplett freie Implementierungen, wie die Prozessoren der PULP-Familie (Parallel Ultra-Low-Power Processing-Platform), der ETH Zürich, die unter der SolderPad-Lizenz [2] veröffentlich wird.

Auf dieser Basis hat sich in den vergangenen Jahren ein nennenswertes Wirtschaftsökosystem an IP-Anbietern, Halbleiter-Herstellern, aber auch Toolchain-Anbietern entwickelt, das eine solide Basis für Investitionsentscheidungen in RISC-V-basierte System on Chips bietet.

Für Trinamic waren die Verfügbarkeit von stabilen, validierten und standardkonformen RISC-V-Implementierungen und die breite Unterstützung durch Toolchain-Hersteller die wichtigsten Faktoren für die strategische Entscheidung, die Entwicklung künftiger Motor Controller Chips auf den RISC-V-Befehlssatz aufzubauen.

Erster Motor-Treiber-IC mit integriertem RISC-V-Kern

Mit zunehmender Verbreitung von cyber-physischen Systemen werden Entwickler immer öfter Antriebe in ihre Produkte integrieren, wobei die Anforderung an Antriebsleistung und Energieeffizienz gleichzeitig mit der Komplexität des Gesamtsystems wächst. Das Ziel von Trinamic ist daher den Stand der Technik hinsichtlich Motorregelung als dedizierte Peripherie zur Verfügung zu stellen und damit die Schwelle für Software-Entwickler zu minimieren.

In der neuen Motor-Treiber-IC-Familie Rocinante (Bild 1) vereint Trinamic seine Erfahrung im Bereich Motorsteuerung mit der Flexibilität eines RISC-V-Mikrocontrollers. Die SoCs eignen sich für die Ansteuerung von Schrittmotoren und kollektorlosen Gleichstrommotoren, DC-Motoren, aber auch Tauchspulen-Motoren. Alle diese Motoren finden in den schnell wachsenden Märkten für Serviceroboter, Haus- und Büroautomatisierung, Elektromobilität und Elektrowerkzeuge Verwendung. Die SoCs der Rocinante-Familie – mit einem RISC-V-Prozessorkern, der die Ablaufsteuerung und das User Interface ausführt sowie Kommunikationsprotokolle verarbeitet – ermöglichen miniaturisierte Antriebe.

Bei der Implementierung von User Interfaces oder Protokollen sind Anpassungsmöglichkeiten vorzusehen, dagegen ist in Bezug auf Aktoren, Motoren und mechanische Komponenten die Langlebigkeit für Gerätehersteller ausschlaggebend. RISC-V ist die perfekte Plattform für eine lange Lebensdauer, da die RISC-V-Befehlssatzarchitektur stabil und praxisbewährt ist. Änderungen in der Software sind einfach umzusetzen und mit einem vollständig RISC-V-Standard-konformen Befehlssatz kann die Software Toolchain frei gewählt werden.

Von der Bekanntheit zur Implementierung

Mit einer zunehmenden Anzahl von Halbleiterherstellern, die RISC-V-Implementierungen entwickeln, werden schon bald eine Reihe spezialisierte SoCs auf den Markt kommen, die für verschiedene Embedded-Anwendungen optimiert sind. Ein Beispiel für RISC-V-Mikrocontroller ist die Mikrocontroller-Familie GD32 [3] des chinesischen Herstellers GigaDevice. Als universelle Mikrocontroller für allgemeine Anwendungen entwickelt, mit einem 32-bit-RISC-V-Prozessorkern, bieten sie hohe Rechenleistung bei niedriger Stromaufnahme.

Um eine schnelle Akzeptanz der RISC-V-Befehlssatzarchitektur am Markt zu erreichen ist nun der nächste große Schritt eine Community mit Firmware-Entwicklern aufzubauen. Auch wenn offene Standards und das Konzept Open Source von Software-Entwicklern schon erheblich länger akzeptiert werden, als bei ihren Kollegen aus der Hardware-Welt, benötigt eine Firmware-Entwicklung für eingebettet Systeme in der Regel auch eine reale Hardware. In gewissem Maße und in sehr kontrolliertem Umfeld kann die Zeit bis zur Verfügbarkeit der Hardware durch Emulationen überbrückt werden. Spätestens wenn in cyber-physischen Systemen die Hardware in Wechselwirkung mit einer nur begrenzt vorhersehbaren Umwelt steht, wird aber reale Hardware notwendig sein.

Um die Adaption des Befehlssatzes voranzutreiben, hat im vergangenen Jahr Open-isa.org [4] einen ersten Schritt gemacht und ausgewählten Entwicklern ein Entwicklungsmodul, VEGAboard genannt [5], zur Verfügung gestellt, das mit einem 32-bit-RISC-V-Mikrocontroller RV32M1 von NXP bestückt ist. Zu einem späteren Zeitpunkt soll dieses System als Ausbildungsplattform an Universitäten genutzt werden.

Spätestens mit der Auslieferung des vom chinesischen Hersteller Seeed Technology vorgestellten Entwicklungsmoduls Sispeed Longan Nano [6], das mit einem ersten RISC-V-Mikrocontroller von GigaDevice [3] ausgestattet ist, ist zu erwarten, dass eine große Zahl an Entwicklern erreicht werden kann. Das Entwicklungsmodul ist derzeit für 4,90 US-Dollar vorbestellbar.

Entwicklungsmodul für Motorsteuerungs-SoC

Mit dem Entwicklungsmodul Dock5 (Bild 2) stellt auch Trinamic in diesem Jahr ein RISC-V-Entwicklungsmodul vor. Es beinhaltet noch nicht die finale Version des Rocinante-SoCs, bildet aber bereits die gesamten Funktionen des Bausteins ab. Das Modul kann einen kollektorlosen Gleichstrommotor oder einen Schrittmotor mit einer hardwarebasierten feldorientierten Regelung ansteuern.

Das Entwicklungsmodul Dock5 wird sich, wie das spätere Serien-SoC, mit einer beliebigen GCC/GDB-basierten Toolchain (GCC, GNU Compiler Collection; GDB, GNU Project Debugger) programmieren lassen, zur Ansprache der dedizierten Schaltung zur Motorsteuerung stehen dem Software-Entwickler umfangreiche Bibliotheken zur Verfügung.

Der RISC-V-Prozessor im Rocinante-SoC kann über den auf dem Modul integrierten Debugger programmiert werden. Zur Kommunikation stehen ein CAN-FD-Interface sowie eine USB-Schnittstelle zur Verfügung. Über Arduino-kompatible Buchsenleisten können externe Komponenten angeschlossen werden.

Literatur

[1] BSD License Definition. The Linux Information Project, 19. April 2004, www.linfo.org/bsdlicense.html

[2] The Solderpad Hardware Licence. SolderPad Limited, 25. Mai 2019, https://solderpad.org/licenses

[3] GD32 RISC-V Microcontrollers. GigaDevice, www.gigadevice.com/products/microcontrollers/gd32/risc-v

[4] https://open-isa.org

[5] Halfacree, G.: OpenISA Launches New, Free RISC-V VEGAboard. AB Open, 4. Dezember 2018, https://abopen.com/news/openisa-launches-new-free-risc-v-vegaboard

[6] Sipeed Longan Nano – RISC-V GD32VF103CBT6 Development Board. Seeed Technology, https://www.seeedstudio.com/Sipeed-Longan-Nano-RISC-V-GD32VF103CBT6-Development-Board-p-4205.html

Der Autor

Dipl.-Ing. Jonas P. Proeger

studierte Elektrotechnik in Hamburg. Seit 2010 ist er bei Trinamic Motion Control tätig und leitet dort seit 2012 das Marketing. Als Diplom-Ingenieur der In- formations- und Elektrotechnik und passionierter Maker glaubt er zutiefst an das Konzept Open Source sowohl für Software, als auch für Hardware.

proeger@trinamic.com