創客/物聯網/穿戴式助長 開放硬體風潮再起
近年來，大眾越來越常聽到開放硬體(Open Hardware)、開放原始碼硬體(Open Source Hardware)，它的淵源為何？為何現在盛行？對未來的意義又是什麼？本文將在以下對此說明。
蘋果首先開放硬體 IBM仿效避壟斷
打從1976年、1977年，蘋果電腦的設計者沃茲尼克(Stephen Gary Wozniak)便開放蘋果電腦的擴充槽電路設計給大眾，只要有人覺得蘋果電腦的功能不足，即可自行設計功能電路板，將電路板插入擴充槽內，就能賦予該電腦新功能。
在此之前，即便電腦有擴充板卡的機制設計，也通常不公諸於世，而是業者專屬自用，在客戶要求提升電腦的規格、功能時，再透過電腦的原供應商提供新板卡，由原廠專人為其加裝。
擴充槽電路設計的開放，僅是整體電腦系統的一部分開放。到了1981年IBM推出個人電腦，由於IBM在當時已是傳統電腦市場，意即大型主機(Mainframe)的寡占業者，若在新興的個人電腦市場也獲得大市占率，則IBM遭受反托拉斯(Anti-Trust)制裁的可能性將增高。
因此IBM開放PC的整體電路設計，言下之意任何人都能了解IBM PC的硬體設計，該公司並未用不公平的競爭手段，在個人電腦市場上與人競爭。但實際上，IBM僅開放電路設計，PC的開機程式、基礎韌體(BIOS)並未開放，該公司認為一般人不易破解、了解IBM PC的韌體程式，在市場上依然有競爭優勢，如圖1所示。
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| 圖1 1981年IBM PC Model 5150型的硬體設計電路公開，但BIOS晶片內的韌體程式不公開。 圖片來源：technologyuk.net
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不料鳳凰科技(Phoenix)公司透過摸索，自行開發撰寫出功能幾乎能全然相容IBM官方韌體的BIOS，揭露IBM PC的所有設計秘密，因而開啟眾多業者投入開發、生產IBM相容的個人電腦，並比IBM原廠便宜，IBM PC初期擁有高市占率，但之後節節敗退，市場上的主流銷售為IBM相容PC，而非IBM原廠PC。
2005年Arduino誕生 Open Source逐漸發跡
上述僅表示開放硬體很早即有例子，但之後多數的電腦發展仍採封閉為多，包含蘋果的麥金塔電腦、昇陽的工作站電腦等。
近年來盛行的開放硬體，主要發展於2005年冬，一名義大利設計學校的老師Massimo Banzi與一名西班牙客座學者兼晶片工程師David Cuartielles討論，如何讓設計系學生在沒有電子工程背景下而完成電子聲光設計作品？
最初曾考慮用BASIC Stamp，是Parallex公司以Microchip公司的微控制器晶片為基礎，追加一層轉譯程式的開發，使一般大眾只要會撰寫簡單入門的培基(BASIC)程式語言就能操控微控制器晶片，毋須學習難開發、難維護的組合語言，如圖2所示。
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| 圖2 1992年Parallex公司BASIC Stamp 2部位簡介 圖片來源：維基百科
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但BASIC Stamp是轉譯層，屬於Parallex的專屬設計，沒有開放，也因此BASIC Stamp雖然好用但不便宜，討論之後決議採行相同概念自行開發，兩人外加一名學生David Mellis的投入，三人完成了名為Arduino的電路板與轉譯程式、開發工具。
Arduino是以Atmel公司的AVR架構微控制器為基礎所發展成，設計系學生只要學會類似C、C++語言的程式語法，便能輕鬆操弄AVR微控制器，完成自己想要電子聲光設計作品。
有鑑於BASIC Stamp的封閉昂貴，Massimo Banzi等決議開放Arduino的電路設計、程式設計，因此許多廠商開發銷售與Arduino相仿的控制電路板，並可使用Arduino工具進行開發。
值得一提的是，Arduino的相關程式是以常見的通用公共授權(GPL)、LGPL等方式開放授權，其中微控制器的函式庫以LGPL方式授權，而在Java環境下執行的開發程式則用GPL授權。
但電路設計的開放，不太適合用軟體授權方式，因此改用著作權的「創用CC(Creative Commons)」授權，引用六種授權(圖3)中的CC-BY-SA(Share-Alike)授權法，意指Arduino的電路設計能沿用、延伸開發，這些開發可以純個人用或商業化販售，但新開發必須註明「Arduino」字樣(BY)，並再以相同方式對外授權(SA)。
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| 圖3 CC的六種創作分享、授權方式，Arduino採第二項的BY、SA。 圖片來源：維基百科
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由於任何仿造品須在印刷電路板上標註「Arduino」字樣，等於幫忙推廣Arduino這個註冊商標，這使部分想商業化銷售的業者觀望、卻步。之後，有人開發出Freeduino，完全相容Arduino但不侵犯Arduino，引用Freeduino並無搭載任何名稱的限制，因此許多業者是以Freeduino設計來開發、銷售Arduino相容品，如圖4與圖5所示。
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| 圖4 1.16版的Freeduino實體線路布局圖
資料來源：freeduino.org |
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| 圖5 1.14版的Freeduino等效電路圖 資料來源：freeduino.org |
但是，也因為Arduino盛名日傳，若電路板取了一個與Arduino毫無聯想性的詞，反而不利銷售，因此會出現許多相近、容易聯想的產品詞，如FayaLab的Fayaduino、DCcEle的DCcduino等，幾乎都會夾帶duino字樣以利銷售。
昇陽開放OpenSPARC 僅揭露等效電路
昇陽開放OpenSPARC 僅揭露等效電路
與Arduino相近時間的，還有一個開放硬體，是昇陽電腦的OpenSPARC，SPARC(Scalable Processor ARChitecture)架構微處理器原本一直是昇陽電腦的專屬設計，不過該設計有授權給富士通，但之後SPARC處理器的銷售量少，量價均攤效益低，在價格效能比方面，越來越無法與英特爾(Intel)的x86架構處理器比拼，因此在2005年12月提出OpenSPARC，開放SPARC架構的電路設計，期望以開放方式吸引更多開發者、業者採行SPARC架構，使SPARC晶片用量增加，軟體生態擴增，不過此一開放的提振成效至今有限。
在這裡要提的是，電路開發其實分兩個層次，一個是等效(同等效果)的電路開放(一般為.sch檔，sch=schematic)，另一個是實際布線的電路開放(一般為.brd檔，brd=board)，Arduino屬於兩種層次皆開放，但OpenSPARC屬於第一種層次的開放。
事實上，微處理器的邏輯電路設計，也是以程式語言(譬如VHDL、Verilog等)方式撰寫開發而成，開放等效的電路，意即揭露一堆程式碼。加上前述的Arduino轉譯程式、開發程式等，因此也就有Open Source Hardware一詞，開放的硬體經常伴隨開發原始程式碼、來源程式碼、原碼、源碼(Source Code)。
而OpenSPARC之所以未開放第二層(實體線路布局、布線)，主要在「實用性不高」，因為不同的晶圓廠、不同的製程，都採行不同的實體線路布局設計，只要換不同晶圓廠生產，比方像聯電換台積電，或期望改用更先進製程生產，例如32奈米精進到22奈米，則原有揭露的布局就不適用，且揭露晶片實體電路布局，也過於商業機密。而開放數位邏輯晶片設計的第一層，也被稱為開放暫存器轉化層(Register-Transfer Level, RTL)，業界也俗稱為Soft IP，第二層則為Hard IP。
樹莓派加入戰局 主打簡單/小體積
雖然Arduino於2005年即推出，但真正逐漸成熱，約自2008年、2009年開始，而到了2012年，英國教師感嘆選擇電腦科學系的學生程度越來越低，且原有的教學用電腦系統過於老舊，因而決心自己開發一套學習用的電腦系統，要夠簡單、便宜，因而有了樹莓派(Raspberry Pi, RPi)。
樹莓派也開放其電路設計，並交由一些電子零件代理商、配銷商代為生產銷售，如Element 14/Premier Farnell、RS Components等。事實上，其他業者也可以仿造RPi開放的電路圖自行生產銷售，但由於RPi起頭設計便考慮簡單、成本和小體積，因此不容易有其他業者提出更精巧便宜的方案，僅部分業者提出與RPi相近概念的高規化方案，如BananaPi、Odroid等，且不全然相容。
RPi以MMC、SD等記憶卡為其硬碟，所以作業系統不設限，可以是Linux，也能夠是Android，而2015年4月微軟(Microsoft)也宣布Windows 10 IoT Core將支援RPi 2 Model B。
創客/3D列印/物聯網 點燃下波開放硬體熱潮
開放、便宜只是起步條件。筆者觀察，進一步炒熱開放硬體的尚有三點，一是創客(Maker)文化出現，許多人喜歡做工藝自娛，這些工藝加上電子興趣嗜好者，開始有各種新的創意應用與作品，而其中用的電子硬體即是Arduino或RPi，也有其他開放硬體，如MirrowBoard、BeagleBoard等，但名氣尚不及Arduino、RPi。
創客的熱潮，從2009年Wired總編Chris Anderson的宣告而到來，再加上3D列印風潮，如RepRap開放專案設計出的3D印表機(圖6)，其電子控制系統為Arduino，而列印出的東西，可以做為創客作品的機構件，因而旋即向上發展。
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| 圖6 2012年曾進行調查：您曾用過哪款3D列印機？結果以RepRap專案的機種最多。 圖片來源：reprap.org |
再加上英特爾、台積電等國際半導體大廠紛紛宣布穿戴式、物聯網時代的來臨，物聯網的真正大宗普及應用尚未被發掘，大廠認為目前為數眾多的創客中，將有少數人的創意作品會成為物聯網、穿戴式的殺手應用，而紛紛擁抱Maker，而Maker愛用Arduino，英特爾也就擁抱Arduino，推出Arduino相容的伽利略(Galileo)、愛迪生(Edison)等微型電子控制系統，甚至為穿戴式推出居禮(Curie)等。
英特爾於2013年8月開始擁抱Arduino，2014年6月聯發科亦推出相容Arduino的LinkIt ONE，2015年4月三星也推出ARTIK系列將相容Arduino，加上前面談到微軟Windows 10將支援RPi，其實也包含Windows Phone支援Arduino，透過藍牙通訊，Arduino能取用Windows Phone上的各類感測器，或者反過來，Windows Phone上的App可以操控Arduino。
不僅如此，開放軟硬體陣營間也同樣合作，Mozilla基金會的Firefox OS也推出WebAPI來支援Arduino，並以藍牙通訊與Arduino溝通聯繫。
以上所述，大體多是開放硬體的美言，但也有一些不好的發展，例如宣稱相容但並非全然相容，只是借搭順風車，或是2014年底Arduino官方發展鬧分家等。但整體而言，開放硬體的潮流仍持續增溫，再加上無人機(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)應用的提出，開放硬體亦可能有著墨之處，風潮短期內不易停歇，並可能有更多可期待的新發展，值得拭目以待。
