创客群体爆炸，盘点开源硬件界的大虾 Hardware, 苹果电脑, 半导体, 物联网, 大众

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开放硬体运动最早可追溯至1976年，苹果(Apple)将苹果电脑扩充槽电路设计公诸于世，但当时并未造成轰动；直到近期半导体科技更臻成熟、开放原始码日益风行，以及物联网、创客(Maker)及穿戴式应用崛起，开放硬体运动才再度掀起热潮。

近年来，大众越来越常听到开放硬体(Open Hardware)、开放原始码硬体(Open Source Hardware)，它的渊源为何？为何现在盛行？对未来的意义又是什么？本文将在以下对此说明。
苹果首先开放硬体　IBM仿效避垄断

打从1976年、1977年，苹果电脑的设计者沃兹尼克(Stephen Gary Wozniak)便开放苹果电脑的扩充槽电路设计给大众，只要有人觉得苹果电脑的功能不足，即可自行设计功能电路板，将电路板插入扩充槽内，就能赋予该电脑新功能。

在此之前，即便电脑有扩充板卡的机制设计，也通常不公诸于世，而是业者专属自用，在客户要求提升电脑的规格、功能时，再透过电脑的原供应商提供新板卡，由原厂专人为其加装。

扩充槽电路设计的开放，仅是整体电脑系统的一部分开放。到了1981年IBM推出个人电脑，由于IBM在当时已是传统电脑市场，意即大型主机(Mainframe)的寡占业者，若在新兴的个人电脑市场也获得大市占率，则IBM遭受反托拉斯(Anti-Trust)制裁的可能性将增高。

因此IBM开放PC的整体电路设计，言下之意任何人都能了解IBM PC的硬体设计，该公司并未用不公平的竞争手段，在个人电脑市场上与人竞争。但实际上，IBM仅开放电路设计，PC的开机程式、基础韧体(BIOS)并未开放，该公司认为一般人不易破解、了解IBM PC的韧体程式，在市场上依然有竞争优势，如图1所示。


图1　1981年IBM PC Model 5150型的硬体设计电路公开，但BIOS晶片内的韧体程式不公开。 图片来源：technologyuk.net

不料凤凰科技(Phoenix)公司透过摸索，自行开发撰写出功能几乎能全然相容IBM官方韧体的BIOS，揭露IBM PC的所有设计秘密，因而开启众多业者投入开发、生产IBM相容的个人电脑，并比IBM原厂便宜，IBM PC初期拥有高市占率，但之后节节败退，市场上的主流销售为IBM相容PC，而非IBM原厂PC。

2005年Arduino诞生　Open Source逐渐发迹

上述仅表示开放硬体很早即有例子，但之后多数的电脑发展仍采封闭为多，包含苹果的麦金塔电脑、升阳的工作站电脑等。

近年来盛行的开放硬体，主要发展于2005年冬，一名义大利设计学校的老师Massimo Banzi与一名西班牙客座学者兼晶片工程师David Cuartielles讨论，如何让设计系学生在没有电子工程背景下而完成电子声光设计作品？

最初曾考虑用BASIC Stamp，是Parallex公司以Microchip公司的微控制器晶片为基础，追加一层转译程式的开发，使一般大众只要会撰写简单入门的培基(BASIC)程式语言就能操控微控制器晶片，毋须学习难开发、难维护的组合语言，如图2所示。


图2　1992年Parallex公司BASIC Stamp 2部位简介 图片来源：维基百科

但BASIC Stamp是转译层，属于Parallex的专属设计，没有开放，也因此BASIC Stamp虽然好用但不便宜，讨论之后决议采行相同概念自行开发，两人外加一名学生David Mellis的投入，三人完成了名为Arduino的电路板与转译程式、开发工具。

Arduino是以Atmel公司的AVR架构微控制器为基础所发展成，设计系学生只要学会类似C、C++语言的程式语法，便能轻松操弄AVR微控制器，完成自己想要电子声光设计作品。

有鉴于BASIC Stamp的封闭昂贵，Massimo Banzi等决议开放Arduino的电路设计、程式设计，因此许多厂商开发销售与Arduino相仿的控制电路板，并可使用Arduino工具进行开发。

值得一提的是，Arduino的相关程式是以常见的通用公共授权(GPL)、LGPL等方式开放授权，其中微控制器的函式库以LGPL方式授权，而在Java环境下执行的开发程式则用GPL授权。

但电路设计的开放，不太适合用软体授权方式，因此改用着作权的“创用CC(Creative Commons)”授权，引用六种授权(图3)中的CC-BY-SA(Share-Alike)授权法，意指Arduino的电路设计能沿用、延伸开发，这些开发可以纯个人用或商业化贩售，但新开发必须注明“Arduino”字样(BY)，并再以相同方式对外授权(SA)。


图3　CC的六种创作分享、授权方式，Arduino采第二项的BY、SA。 图片来源：维基百科

由于任何仿造品须在印刷电路板上标注“Arduino”字样，等于帮忙推广Arduino这个注册商标，这使部分想商业化销售的业者观望、却步。之后，有人开发出Freeduino，完全相容Arduino但不侵犯Arduino，引用Freeduino并无搭载任何名称的限制，因此许多业者是以Freeduino设计来开发、销售Arduino相容品，如图4与图5所示。


图4　1.16版的Freeduino实体线路布局图 资料来源：freeduino.org


图5　1.14版的Freeduino等效电路图 资料来源：freeduino.org
但是，也因为Arduino盛名日传，若电路板取了一个与Arduino毫无联想性的词，反而不利销售，因此会出现许多相近、容易联想的产品词，如FayaLab的Fayaduino、DCcEle的DCcduino等，几乎都会夹带duino字样以利销售。


升阳开放OpenSPARC　仅揭露等效电路
与Arduino相近时间的，还有一个开放硬体，是升阳电脑的OpenSPARC，SPARC(Scalable Processor ARChitecture)架构微处理器原本一直是升阳电脑的专属设计，不过该设计有授权给富士通，但之后SPARC处理器的销售量少，量价均摊效益低，在价格效能比方面，越来越无法与英特尔(Intel)的x86架构处理器比拼，因此在2005年12月提出OpenSPARC，开放SPARC架构的电路设计，期望以开放方式吸引更多开发者、业者采行SPARC架构，使SPARC晶片用量增加，软体生态扩增，不过此一开放的提振成效至今有限。

在这里要提的是，电路开发其实分两个层次，一个是等效(同等效果)的电路开放(一般为.sch档，sch=schematic)，另一个是实际布线的电路开放(一般为.brd档，brd=board)，Arduino属于两种层次皆开放，但OpenSPARC属于第一种层次的开放。

事实上，微处理器的逻辑电路设计，也是以程式语言(譬如VHDL、Verilog等)方式撰写开发而成，开放等效的电路，意即揭露一堆程式码。加上前述的Arduino转译程式、开发程式等，因此也就有Open Source Hardware一词，开放的硬体经常伴随开发原始程式码、来源程式码、原码、源码(Source Code)。

而OpenSPARC之所以未开放第二层(实体线路布局、布线)，主要在“实用性不高”，因为不同的晶圆厂、不同的制程，都采行不同的实体线路布局设计，只要换不同晶圆厂生产，比方像联电换台积电，或期望改用更先进制程生产，例如32奈米精进到22奈米，则原有揭露的布局就不适用，且揭露晶片实体电路布局，也过于商业机密。而开放数位逻辑晶片设计的第一层，也被称为开放暂存器转化层(Register-Transfer Level, RTL)，业界也俗称为Soft IP，第二层则为Hard IP。

树莓派加入战局　主打简单/小体积

虽然Arduino于2005年即推出，但真正逐渐成热，约自2008年、2009年开始，而到了2012年，英国教师感叹选择电脑科学系的学生程度越来越低，且原有的教学用电脑系统过于老旧，因而决心自己开发一套学习用的电脑系统，要够简单、便宜，因而有了树莓派(Raspberry Pi, RPi)。

树莓派也开放其电路设计，并交由一些电子零件代理商、配销商代为生产销售，如Element 14/Premier Farnell、RS Components等。事实上，其他业者也可以仿造RPi开放的电路图自行生产销售，但由于RPi起头设计便考虑简单、成本和小体积，因此不容易有其他业者提出更精巧便宜的方案，仅部分业者提出与RPi相近概念的高规化方案，如BananaPi、Odroid等，且不全然相容。

RPi以MMC、SD等记忆卡为其硬碟，所以作业系统不设限，可以是Linux，也能够是Android，而2015年4月微软(Microsoft)也宣布Windows 10 IoT Core将支援RPi 2 Model B。

创客/3D列印/物联网　点燃下波开放硬体热潮

开放、便宜只是起步条件。笔者观察，进一步炒热开放硬体的尚有三点，一是创客(Maker)文化出现，许多人喜欢做工艺自娱，这些工艺加上电子兴趣嗜好者，开始有各种新的创意应用与作品，而其中用的电子硬体即是Arduino或RPi，也有其他开放硬体，如MirrowBoard、BeagleBoard等，但名气尚不及Arduino、RPi。

创客的热潮，从2009年Wired总编Chris Anderson的宣告而到来，再加上3D列印风潮，如RepRap开放专案设计出的3D印表机(图6)，其电子控制系统为Arduino，而列印出的东西，可以做为创客作品的机构件，因而旋即向上发展。


图6　2012年曾进行调查：您曾用过哪款3D列印机？结果以RepRap专案的机种最多。 图片来源：reprap.org
再加上英特尔、台积电等国际半导体大厂纷纷宣布穿戴式、物联网时代的来临，物联网的真正大宗普及应用尚未被发掘，大厂认为目前为数众多的创客中，将有少数人的创意作品会成为物联网、穿戴式的杀手应用，而纷纷拥抱Maker，而Maker爱用Arduino，英特尔也就拥抱Arduino，推出Arduino相容的伽利略(Galileo)、爱迪生(Edison)等微型电子控制系统，甚至为穿戴式推出居礼(Curie)等。

英特尔于2013年8月开始拥抱Arduino，2014年6月联发科亦推出相容Arduino的LinkIt ONE，2015年4月三星也推出ARTIK系列将相容Arduino，加上前面谈到微软Windows 10将支援RPi，其实也包含Windows Phone支援Arduino，透过蓝牙通讯，Arduino能取用Windows Phone上的各类感测器，或者反过来，Windows Phone上的App可以操控Arduino。

不仅如此，开放软硬体阵营间也同样合作，Mozilla基金会的Firefox OS也推出WebAPI来支援Arduino，并以蓝牙通讯与Arduino沟通联系。

以上所述，大体多是开放硬体的美言，但也有一些不好的发展，例如宣称相容但并非全然相容，只是借搭顺风车，或是2014年底Arduino官方发展闹分家等。但整体而言，开放硬体的潮流仍持续增温，再加上无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)应用的提出，开放硬体亦可能有着墨之处，风潮短期内不易停歇，并可能有更多可期待的新发展，值得拭目以待。