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開源硬體熱潮 自造發展刺激3C/電子產業新創意
2017/01/09-魏淑芳  

DIGITIMES企劃

開源硬體(open hardware)近幾年成為電子、3C產業的發展新動力,不僅Arduino、Raspberry pi樹莓派或基於類似前者開源硬體開發板開發的各式開源硬體專案,不僅成為電子產業源源不絕不絕的設計創意汲取泉源,甚至相關板材、電子零組件需求驅動產業推展,形成另一個特殊的Maker新市場...

近幾年來Arduino系列或是Raspberry pi系列開源硬體產品,由於在電子線路完全開放、PCB板線路開放,加上採取得容易、成本低廉的嵌入式運算晶片,配合開源嵌入式系統與第三方軟體整合,創造如3D印表家、迷你PC、個人DNA分析儀或是個人CNC切割機等相關應用,加上教育市場積極導入開源硬體搭配程式開發教學,開源硬體儼然已成為一股新興的Maker市場趨勢,不僅應用多元,產生的龐大產值也令相關業者積極投入。

arduino是開放硬體開發平台熱門的選項,軟/硬體開發資源豐沛,號稱電子界的快速打樣平台。arduino.cc
   
基於開源硬體精神  Arduino、Raspberry pi成長驚人

在這些知名的開源硬體中,包含Arduino、Raspberry pi等都有幾個共通的特性可以觀察,例如,這些裝置或是開源硬體開發板大多簡單易用、價格便宜,既使在性能上可能與智慧手機、平板電腦這類嵌入式系統應用無法相提並論,但實際上在實用的效能定位與豐沛的I/O介面,在功能性與系統擴展可能性,都提供了個人Maker極大的創意發揮空間,只要具備基礎電子電路概念加上系統與程式部署,一般人便可以製造自動化甚至是智動化的應用整合方案,吸引眾多喜愛DIY的愛好者趨之若鶩。

Arduino、Raspberry pi這類開源專案會如此低價的原因,其實在開源硬體概念下,用戶可以自行取用開源資源製作所需的電子電路、搭配關鍵零組件建構個人的開發板環境,或是透過開源硬體團隊自行整合的開源硬體方案取得開發資源。

由於開源硬體已針對可能的開發需求預留專案所需的I/O、功能擴展介面等,個人Maker則可視手上的專案需求選擇整合的底層系統、開發環境進行相關應用部署,這在以前想進行相關個人智慧硬體應用開發,通常Maker得先具備嵌入式SoC專業整合能力、同時需要電子電路開發能力,再加上底層系統、開發應用層系統環境整合經驗,才能完成手上的個人專案,而且,因為Maker畢竟未具備專業硬體開發環境,個人製造的電子電路可能在穩定性表現相對受限,不見得能使用SMD(surface-mount device)表面黏著技術整合相關元件。

開發硬體可能在電子電路載板過大而無法因應穿戴裝置或行動裝置的開發需求,但在基於大量製造的開源硬體平台,個人Maker除可享受高度整合、高度擴展彈性的開源硬體電路優勢,能用極低成本(時間、金錢)獲得專案所需的嵌入式運算平台。

個人Maker熱潮加溫  促使開源硬體更受關注

開源硬體對個人Maker來說,等於是提供了強而有力的開發基礎平台,可讓開發者更專注於應用專案的軟體與系統整合方向,不需再受硬體開發能力所限,產生的開發能量與激發的應用創意,在近年掀起熱潮的群眾募資平台掀起一波個人製造、Maker創業熱潮,只要有創意、有開發整合能力,就能在極短時間內發展出MVP(Minimum Viable Product)最小可行產品,用最少的成本快速驗證創意產品的市場接受度。

「開源硬體」實際上是硬體設計者將電子電路板的佈線圖、線路設計圖、零組件清單等生產製造關鍵技術資料開放,一般大眾可以在取得資料後進行製作硬體,甚至以原設計為基礎進行改良,開發更先進的硬體設計,而開源硬體對比傳統電子硬體產品設計就會相對更容易理解,傳統電子產品硬體設計在產品機殼內的電路、元件、佈線圖均採機密態度處理,不僅不會透過網站或社群散佈,甚至還會將關鍵半導體、零組件採Remark方式隱匿關鍵料件數據,至於開源的價值就在於「自由」,透過完全開放、散佈關鍵硬體資訊,達到其自由、分享與互惠的開源精神,而在開源硬體基礎下讓自製硬體的熱潮快速蔓延、擴展。

遵循GPL、LGPL、BSD等授權條款  擴展開源硬體影響層面

但需注意的是,雖開源硬體核心價值在於開放與自由,但實際上其自由、分享、互惠的硬體精神仍有規則需要遵守,否則會阻礙了開源精神傳遞與擴展。

開源硬體的規範主要是依循GPL(general public license)通用公共授權條款,至於GPL公共授權條款當初為由Richard Stallman為GNU計畫進行撰寫,目的為保證GNU的軟體可自由地被複製、修改、應用與發行,而後GPL的分享精神與內涵陸續被其他人效法,現今除當時開源軟體之外,開源硬體亦加入GPL行列,間接延續GPL成開放軟/硬體最廣泛之授權條款,而除了GPL之外,還還有衍生的LGPL、BSD等授權條款。

理解開源硬體的特色與其市場爆炸性成長關鍵,可以再來檢視開源硬體的開放細節內容,一般來說開源硬體主要包含線路圖(schematic)、佈線圖(Layout)、零件佈局、零件表(BOM,Bill of Material)等,線路圖與佈線圖有蠻大的差異,線路圖為電子元件、線路的連接關係圖,有了這個資料可據此產生實際設計電路板、設置零組件的線路佈局,這也是大量生產前的PCB電路板必備的設計圖。

開發過程會先在電腦上模擬線路圖與關鍵元件的邏輯運作狀態,確認線路與零組件連接無誤才會以線路圖轉換至實際PCB佈線,但PCB佈線在實際產品開發過程不是直接投產大量製作,而是會先以佈線模擬軟體分析元件、PCB布局、關鍵元件特性進行線路佈局調整,經過數次工程樣品製作、模擬測試確認PCB板設計品質後,才會進入PCB量產程序。

透過硬體設計資料釋出  降低硬體開發成本與耗時

而開源硬體若已提供至佈線圖資料公佈,若開放的線路布局為多次驗證的PCB佈線,對於不熟悉硬體開發流程的產品設計團隊自然可以省去重複驗證線路佈局的成本投入,甚至可以據已有的開源內容進行產品優化設計,追加附加功能或是提升現有設計的品質或穩定度。而在量產階段,除有線路邏輯、PCB布局等資料外,量產另一個重點則為零組件備料,多數開源硬體甚至還會提供到完整的零件表,讓使用開源資源基礎進行研發的團隊,可用更短的開發週期發展產品設計。

但需注意的是,即便開源硬體提供者已將設計釋出、開放,但實際上開放的程度、釋出資料的更新度、完整度完全取決於釋出者願意的開放程度而定,即便提供了線路圖不代表資源提供者就必須將線路佈局、料件表一併完整公開,甚至還是提供最新版、最新優化的數據,對於採行開源資料進行產品開發的團隊,仍須有一定程度的硬體知識,進行開源硬體資料的審視、試做與驗證,因開源硬體開放資料的完整性與正確性仍有使用風險,這些都是後期導入開源硬體與開發資源必需承擔的可能風險。

另一個使用開源硬體需注意的重點,即開源硬體的法律面應注意部分,這也是相當多取用開源硬體資源常出現的疏漏。一般開源硬體會在釋出資料附加所謂的「授權條款」,開源硬體資料釋出的擁有者可能是協會/團體、個人或是新創公司,釋出資源的一方會因為自身的定位與市場需求考量而有不同的授權條件差異,多數仍會以LGPL/BSD、GPL等方式為大宗,授權範圍、條件等仍須仔細檢視、確認,避免已投入時間、資源進行相關應用後才發現授權限制問題,白白增加產品的開發風險。

跨領域整合 激發更多元的開源硬體應用方向

開放硬體畢竟與開放軟體不同,因為開放軟體可以由個人或社群將開發原始碼投放至網路,供後繼開發者延續推展開發進度、或是接續釋出開源,因為硬體還需要進入實體量產才能發揮價值,過程需要進入設計、驗證、備料、生產、測試、出貨等,開源硬體仍須面對龐大的生產與庫存成本,除了個人或協會角色外,開源硬體的參與者更多的是新創公司、商業公司,有積極的市場需求、資金投入才能讓開源硬體有機會被實作、上市。

目前開源硬體可大致區分為IC層(IC level)、板材層(board level)、系統層(system level)與跨領域整合層(integration level)四大層次,IC層可以說是開源硬體的最底層,就是把IC元件的設計圖開放釋出,但這部分的發展方向並不成熟;板材層是目前開源硬體發展的主要驅動力,在市場的爆發力頗驚人,著名的如Arduino、Raspberry pi等;系統層的開源硬體,可以說是需要高度整合軟/硬體資源的開源專案都能算是系統層開源硬體,例如,開源CNC機台、3D印表機等,不只需要硬體支援,需要軟體、系統整合;在跨領域整合層的開源硬體開發難度更高,這個層次的開源裝置除整合嵌入軟/硬體/系統外,還需加入跨知識領域的專業知識參與開發,例如DNA個人檢測設備開源硬體專案,即結合電子、電機與醫學跨領域知識。

開源硬體未來發展與重要性將愈來愈高,不只各式開源硬體將逐漸深入生活,終端使用者也會以更低廉代價與更快的速度享受到基於開源硬體的科技成果,而在更多開源硬體釋出豐富、完整的線路圖、線路佈局、系統整合資源後,每個有志改善、優化硬體設計的人都可取得完整開發資料進行產品的再研發、設計,透過開源精神再將成果釋出給後繼者,降低後繼研發者的投入資金與技術門檻,將激發更多硬體應用的可能性與創意,擴展開源硬體的市場應用範圍。

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關鍵字 
創客(Maker)開源硬體
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