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因为逼格儿 更有逼格

35美元的树莓派计算机 是如何改变世界的?

建造这台突破性的机器,克服了众多的挑战。

编者按:这是一个见证“Nothing is Impossible”或者“Impossible is Nothing”的故事。受困于申请学计算机的人数日益减少,剑桥大学教学主管Eben Upton决心用一种激发自己儿时学习编程兴趣的小玩意儿重新点燃下一代对计算的好奇心。为此,这个东西必须能植入到各种常见的东西里面,并且价格要足够的亲民。BBC的报道引发了大量的公众关注,骑虎难下的他们从此开始了一段堂吉诃德式的努力。尽管遇到了种种复杂挑战,但Upton和他的树莓派基金会团队最终还是克服了困难,让这种信用卡大小的单板计算机成为全球第三大畅销的计算机。在被问到树莓派能成功的原因时,Upton说,也许正是无知者无畏让我们做成了一件不可能的事。《TechRepublic》采访了树莓派的研发团队,对这款35美元的微型计算机诞生内幕进行了深度报道。

那天早上想要集中精神的感觉简直就像被上绞刑一样。

Eben Upton说的是2011年5月,当他与人联合开发的35美元树莓派计算机在网上被披露后,自己肩上感受到的公众期望的分量。

经过5年相对隐匿的情况下折腾这块板的设计后,突然之间意识到这个项目存在的人数出现了爆发式增长,仅仅2天之内早期树莓派的视频浏览量就达到了60万。

一开始Upton对BBC技术通讯记者Rory Cellan-Jones报道引起的兴趣感到很高兴,并且跟妻子Liz描述了一番,后者用严酷的现实给他的热情浇了一通冷水:

她对我说,“你知道现在你得干这事儿了,对吧?”

那是个艰难时刻,意识到我们其实已经告诉大家我们正在干这件事了,我们已经骑虎难下。如果不是为了Rory的话,我们本来可以就这么玩玩的。

今天,树莓派已经变成一种现象,是全球第三大畅销的通用计算机。如果你对计算机感兴趣的话,很有可能你已经上手了一块这种英国制造的板子插在什么地方。它已经植入到笔记本、平板电脑和机器人里面;它已经跑到国际空间站上做实验;它甚至进入到主流媒体,在《机器人先生》这样的电视节目以及《超能陆战队》这样的电影里面亮相。我们还没有提到它在商业当中扮演的角色,从瘦客户端到工控系统,树莓派几乎无所不能。

但是这种成功绝不是打了包票的。树莓派从某种堂吉诃德式的努力开始,旨在一代人沉浸于技术但对其机制却毫不关心的氛围下重新点燃对计算的好奇心。对于Upton来说,这颗种子在2006年已经种下,那时候他是英国剑桥大学的一名教学主管,正在为申请学计算机科学的人数至少感到挠头。

数字太糟糕了,简直是一落千丈。世纪之交的适合我们从80、90个地方有600个申请降到了只有250个人。

面对着这么不感兴趣的情况,Upton不禁发问“那些申请者都去哪儿了?”以及“怎么才能把他们争取回来?”


Eben Upton,照片摄于2016年女王寿辰授勋仪式上被封为爵士(CBE)之后。图片:树莓派基金会

他说:“我们当时没有意识到,1980年代方便编程的家用计算机成为了我们的一个非常重要的人才来源。”

“随着那些机器在1990年代消失,可以借此学习编程的孩子也没了,然后10年后我们醒来才发现没人申请我们的课程了。”

“所以其实树莓派是对此的响应。这是一次非常刻意的尝试,目的是想重启那种我小时候就有的机器。”

Upton跟他的同龄人成长于1980年代,那时候像英国BBC Micro和美国Commodore 64这样的计算机正在设法进入家庭。对于普通的现代计算机用户来说,BBC Micro似乎很吓人:一台棕色的厚板机器启动后即只有一个闪烁的光标,上面没有任何解释下一步要干什么。

但对于Upton和许多1980年代的孩子来说,那个出现在几乎空白屏幕上的闪烁光标就是一次让他们填补空白的邀请,邀请他们输入BASIC编程语言,让BBC Micro用声音和颜色变得鲜活起来。

不过,时间快进20年,在市场占主导地位的计算机——游戏机和后来的平板电脑和智能手机——不再邀请他们去创造,而是怂恿他们消费。

Upton记得,2007年,在一次篝火晚会上,有一位11岁的男孩告诉他自己想当一位电子工程师,但是他却失望地发现,当时已经没有可供这位孩子上手编程的计算机。

“我说,‘哦?你用的是什么计算机啊?’他说,‘我有一部任天堂Wii’。这让我感觉很尴尬,这个孩子是那么的兴奋,对我们的职业表现出了那么浓厚的兴趣,但却没有一台可以编程的计算机,任何形式的计算机都没有。他只是有一台游戏机。”

那时候Upton正在Broadcom当芯片设计师,设计一种芯片系统架构,他意识到自己有阻止这种不鼓励用户编码计算机的趋势所需的技能。

他说:“作为爱好我开发小计算机已经有很长一段时间了。所以,开发小计算机的能力,再加上意识到小计算机的匮乏是个问题,树莓派其实是这两样东西碰撞出来的火花。”

为什么树莓派只用35美元

其想法是创造一台不仅便宜,而且几乎可以随便处置的计算机,价格低到孩子不怕带在身上或者将它跟其他硬件连在一起去开发自己的电子产品。

Upton说:“要做一台可以随便破坏的计算机,这个想法对我们来说很重要。”

“价格应该低到给它连接线缆的时候你不会觉得会有毁灭世界的风险。”

但是价格定得那么低会带来挑战。在2000年代中期,35美元的计算机其实并不存在,Upton刚开始做出来的东西跟最后树莓派的样子几乎一点都不像。

2006年他首次尝试的树莓派相对于6年后发布的计算机来说实在是太简单了,以至于只用手就可以组装起来,用的是现成芯片和部件,还有一块烙铁。

处理器和电阻过大的原型看起来就像是过去时代的遗迹——从某种程度上来说,这是在复制1980年代Upton刚懂事时推出来的BBC Micro的能力。


第一代树莓派原型,由Eben Upton在2006年手工制作出来的,这个东西跟2012年推出的计算机有很大的不同。图片:树莓派基金会

“我做的第一个你可以叫做树莓派的东西是在Atmel微控制器的基础上开发的,它可以渲染一点3D图形;其能力大概跟BBC Micro相当,但是你自己用一块烙铁就能做了。它的好处就在这里,后来的树莓派都没法做到这一点。”

Upton并没有往这条设计道路走下去,因为觉得不够强大,可用性也不好。不过他并没有失去设法重新点燃对计算机科学兴趣的动力,继续跟工程师同事和学者讨论解决方案。2008年整件事情到达了一个关键点,Upton跟剑桥大学教授Alan Mycroft、电子工程师Pete Lomas以及好几个人一起坐了下来,开始构思为孩子们量身定做的廉价计算机的蓝图。

Lomas是电子设计咨询机构Norcott Technologies的创始人,他设计了第一代树莓派的印刷电路板(PCB)。他把10月份那次会议形容为树莓派诞生的决定性时刻。

Lomas说:“我们很多人都有类似的想法。只是需要那场会议作为让此事发生的催化剂。”

他说,他们的愿景是制造这么一台机器,可以提供一个窗口,让用户窥探计算机是如何工作的——不是一个封得严严实实的黑箱,它就是一块板件,孩子们可以学习每一个部件,能够在它工作的适合感受到处理器变热,并且钻研板块运行的开源软件的代码。

树莓派的名字由来

2008年我们将见证Upton创造的原型机第一次被叫做了树莓派。

尽管这第二个原型要比第一个手工制作的更强大,但是2008年的这台机器还不是像树莓派那样成熟的计算机,只是跑在Broadcom的图形处理单元(GPU)和向量处理单元(VPU)上——这些芯片同样是更大的计算机系统的一部分,Upton称之为“在Broadcom开发板基础上拼凑起来的东西。”

再次地,那个原型令人想起了Upton成长时一直在用的BBC Micro。尽管比1980年代的那台机器强大了很多,这台原型机也是直接启动到闪烁光标,只不过这次跑的是Python代码。

Upton说:“就像BBC Micro启动进入到BASIC一样,这个启动后进入的是某个版本的Python。”他说机器取名叫Pi(派)就是这么来的。

至于树莓这个词,一方面是他很想学学苹果、Apricot Computers以及Acorn(芯片制造商Arm与BBC Micro制造商的前身)的水果传统,同时也是半开玩笑地点一下当时项目玩票的性质。

Upton说:“有很多以水果名字命名的公司,而且‘blowing a raspberry’这样的东西也是故意的。(放屁的意思, raspberry tart(树莓馅饼)跟fart(屁)谐音)”

次年初,Upton、Lomas、Mycroft、Elite创造者David Braben以及剑桥大学讲师Jack Lang和Rob Mullins创办了Raspberry Pi Foundation(树莓派基金会),这是一个专注于向全世界传授创建计算机软件与硬件所需知识和工具的慈善组织。


2012年一场董事会上的受托人:从左到右:财务总监Martin Cartwright,教授Alan Mycroft,Pete Lomas,David Braben,Eben Upton与Jack Lang。还有一位同样在图右的是Alex Bradbury,当时是基金会的首席Linux开发者。图片:树莓派基金会

不过即便名字和基金会都已经就位了,但计算机的设计却开始难产了。这么低的价格Upton和Lomas没法找到合适需求的处理器,而且设计树莓派还遇到了各种障碍。

Lomas说:“2009年我们想围绕着另一款处理器进行重新设计。但是由于没法做下去而导致大家意志消沉。”

“部件太多了,PCB又太大,消耗电力过多,各种各样的东西都出来问题。”

尽管如此,Lomas说大家都不愿突破35美元的价格点。

他说:“当我们首次宣布价格时,大家以为我们疯了。我们也曾一度认为自己疯了,但我们的动力是如果能够实现的话,那就能吸引很多的孩子。”

与此同时,Upton要在Broadcom的全职工作,完成MBA学业,以及攻关树莓派这些事情间辗转腾挪。

他说:“2011年以前很多时候似乎这件事都做成不了,就因为我太忙了。我要做别的事情,这件事不是我的首要事项。”

直到2011年初情况仍进展缓慢,但此时一个机会摆在了Upton和Lomas面前,他的雇主Broadcom设计出来了一款低成本芯片,正好可以成为其人人买得起的计算机的完美基础。

Upton和Lomas用了一个通常装在电气设备和数字标牌内部的处理器,然后把它当作了一台廉价计算机的平台。

这款新的芯片有望撑起一台堪比1990年代末高端机器的计算机——大概相当于300MHz的英特尔奔腾2。当然这不是那种好到让人兴奋的性能,但却足以提供一台能用的35美元以下成本的机器。

关键是,这个基于ARM的Broadcom BCM2835片上系统可以让树莓派变得不仅仅只是玩具或者阉割版的电子产品。

Upton说:“这是一大突破,我们有了ARM处理器,ARM 11。”

“不用太多钱我们就有了一个ARM的处理器以及一个能力非常强的图形处理内核。”

由于跑的是完整的基于Linux的操作系统,树莓派可以启动进入到一个窗口式的桌面,典型用户会把它看成是一台计算机。

Lomas说:“你有一个完整的操作系统,然后你可以把所有免费的软件开发工具纳入其中,那些东西在Linux环境下已经做了好几年了。”

Lomas说这让他们有了胜利的感觉,“Broadcom制造的芯片有很多功能正是我们需要的。”Upton和Lomas的树莓派现在有了必要的“大芯片”(比如内存和网络控制器)作为平台保障,更重要的是价格都是平民化的。然而,战斗还没有结束,他们对低价的坚持仍将继续给基金会带来巨大压力。

Upton说:“定价在25美元到35美元之间的依据是那些大的部件的价格点,然后认为‘剩下的不可能会太贵’。当然,这种想法是错误的。”

“我们的一大教训是干掉你的是那些小东西,而不会大东西。大量10美分左右的东西,而不是若干几美元的东西会扩大设备的成本。”


树莓派Alpha版板件,2011年首次投产。图片:树莓派基金会

这还不算,Upton和Lomas很快马上自己又给自己徒增了压力。BBC对树莓派拇指存储器大小的原型的报道在2011年5月被人疯传——报道称树莓派将在1年内推出。

Upton说:“报道把我们的形象非常坚定地展示到了公众面前,我们已经没有退路,只能设法把它变成事实。”

“所以,2011年整个夏天和秋天我和Pete都待在一起,想方设法要把产品的成本降下来。比如们考虑哪些功能可以不要,找出实现某些功能更廉价的手段等。”

基金会面临着一场硬仗。创始人们给基金会已经贷款了几十万美元,足以将树莓派的产量从当初的3000提高到10000块板左右。然而,在电子制造上着仍然是相对较低的量,而这会导致部件成本的上升。

到了8月份,基金会有了一份树莓派的参考设计,Broadcom给他们造出了50块Alpha板。这种板跟5月份展示的拇指存储器大小的原型很不一样,支持了很多后来的树莓派所具备的功能——比如几个USB 2.0端口,100M的以太网接口,microSD存储卡读卡器,HDMI,以及启动后进入Linux Debian命令行方式。它甚至还能玩一点第一人称设计游戏《雷神之锤III》。问题是它在成本上离需要的低点还有不少距离,而且比他们想要的信用卡大小还稍微大了一点。

Lomas说道:“接下来的问题就是怎么把这头110美元的怪兽变成35美元的实用解决方案。”他和Upton从8月份到12月份都在琢磨着如何办到这一点。

将110美元的怪兽变成树莓派的战斗

这块小板的每一个组件都有自己的一席之地,Lomas回忆到在权衡每一个部件的相对优点时不得不面临十分艰难的抉择。

举个例子,比如他们曾遇到如何将树莓派连上显示器的问题。他们希望树莓派质量要够好,能跟新一点的电视和显示器协同工作,后者一般都要求HDMI接口,但他们也希望旧的CRT显示器也能用,而这个又要求VGA接口,甚至老一点的电视也能连,那种接口是复合视频接口。最终Lomas说VGA占用芯片的串行接口针脚数太多了,这会导致能够支持的其他功能数量减少,所以他们就选了HDMI和复合视频接口。

Lomas说:“我们付出了艰苦的努力。实际上我们放弃了好几样东西。我们对I/O进行了合理化,去掉了一些不需要的东西。然后进行了重新组织,返璞归真。他们给我起了个外号,叫做‘职业杀手’。”

那场战斗在每一个部分都展开了全面厮杀。每一个部件都得在成本、质量以及可用性上进行微妙的权衡。

Upton说:“实现3点中的1、2点相对容易,但是要想把3点都做到就非常非常的难,所以引起了很多这类的争吵。”

一些情况下,Upton和Lomas采用了聪明的规避手段来推动成本下降。原先设计中的一块专用音频芯片被6个寄存器和电容以及一个通过脉冲宽度调制产生音频的软件取代。在别的地方,他们会先降低规范要求,然后等到后面推出的板子再考虑改进某些缺陷,比方说,一开始给树莓派选择了线性电源,这玩意儿在Upton看来是“非常低效”的,但随后将会被“劳斯莱斯级的开关电源设计”取代。

并不是全都是削减。在Lomas的要求下后来的板子引脚数(通用输入/输出端口)从26针增加到了40针,使得计算机能够利用树莓派控制灯光、开关、马达,并且跟其他板件交互。尽管这是一项后面才增加的特性,但据Lomas说它是“树莓派的很多一部分”,因为促进了大量树莓派驱动机器人的诞生。Upton同意这种说法:“今天你去问问那些剑桥大学的申请者‘你是怎么想到要学计算的?’他们会说,‘树莓派和机器人。’”

到了这个阶段Upton的工作强度已经达到每周80小时,晚上、周末、在飞机上、火车上,只要工作允许的时候都在弄树莓派。他回忆起有一次甚至在希斯罗机场登机的适合还在打电话给Lomas,“让他给我发BOM(材料清单),好让我在飞机上还能工作,”这话让他身边的部分乘客感到紧张。(编者注:也许是BOM的发音跟炸弹相像)

在他们共同努力的这段时间内,并没有其他的团队成员或者足够的基础设施来支持Upton和Lomas——只有少数志愿者到他们家中来帮忙。

Lomas说:“我们起步就只有6个人,没有办公室,只有几部电话,我们做的一切都是通过电子邮件和Google进行的。但是大家的决心都很大,一定要把它做成。”

到了12月,树莓派的设计终于达到预想的样子,圣诞节前一周,Lomas在柴郡的Norcott Technologies工厂做了20块内部测试用的板子。

那天傍晚,也就是距离圣诞节还有3天的时候,Lomas记得自己接通了第一块刚下线的板子,然后得到了一个不令人愉快的惊讶。

他说:“当我们在板凳上接通第一块板子的电源时,心都跳到了嗓子眼,但是板子什么反应都没有。”

“后来才发现我们看错了部分文档。文档其实经过审核了,但没人发现。”

幸运的是,问题的解决只需要相对简单的手工焊接即可——就是电压轨断了。

同一天晚上,当Upton抵达工厂时,Lomas还在修最后一块测试板。在连续6个月不断工作之后,Upton和他的妻子,基金会的媒体总监Liz,刚刚从康沃尔驱车度假回来。

Upton说:“等我们赶到柴郡时已经很晚了。”

“我把其中一块插上电,那是一种很奇怪的体验,因为这是一台我知道可以用25块钱做出来的机器,但是功能比我小时候的任何机器都要强大得多,比我喜欢的Amiga都要强大得多。”

这块beta版的板子就是第一代的树莓派,Pi 1 Model B(2012年2月29日正式发布)的第一批板件。Upton和Lomas把这块35美元的板子功能削减到2个USB端口,100Mbps的以太网,HDMI 1.3,26针脚的GPIO,还有一块700MHz的单核处理器和VideoCore IV GPU,可处理100p视频回放的硬件加速。为了坚守基金会的教育使命以及对透明性的承诺,每一块板都提供了各种基于Linux的操作系统以及一套编程工具。

应付成功

然而,基金会现在遇到了一个新问题——它成为了自身成功的受害者。Upton和这块板的联合创造者一开始对Pi的考虑并没有太多,认为能卖出的数量不会超过1000。即便Pi的公开亮相在2天内就在YouTube上攒到60万的浏览量,板子背后的团队仍然很谨慎。

他说:“尽管看到大家兴趣很浓,但我们仍然认为实际上想要掏钱去买的人会少很多。”解释为什么基金会只是把当初的产量略微提高到10000。

但是火箭式的需求增长并没有减弱,基金会的产能相对而言似乎杯水车薪,2月29日树莓派正式开售时订单已经达到了10万。

基金会的制造模式是批量加工,加工量是每次10000件,一个批次的销售所得用于下一批的制造,这种速度远远满足不了需求的增长。

供应链方面的考虑以及消费税与制造成本令情况变得更加复杂,迫使基金会把生产放到了中国。

Upton和他的同事意识到基金会在方法上需要做出改变。

Upton说:“我们发现产品有大量需求,需求大到我们手头的资金没法满足的地步。”

“于是我们换成了这种授权模式,把设计授权给RS Components和Premier Farnell。”


Eben Upton在南威尔士的索尼工厂,树莓派的生产地。

按照这笔交易,Farnell和RS Components负责树莓派板子的生产和分销,把生产分包给第三方——一开始是分包给中国的一家工厂,不过自从2012年底以来就转给了英国南威尔士的一家索尼工厂。

现在回想起来,Upton认为这个授权模式是帮助树莓派取得今日成功的关键决定——这让基金会极大地扩大了树莓派的生产规模,并且利用了那些公司全球的分销网络。

他说:“我至今仍感到最自豪的就是那一变化,因为这是这件事情把价值释放了。正是它让我们发展起来了。”

3月初,随着10万订单的累积,网上的大规模炒作,以及新得到的批量制造板子的能力,Upton说他开始意识到树莓派吸引力的规模。

他回忆起了拿到首批待售树莓派板件的情形。

“我记得自己从顶部拿起了一块树莓派的板件,托板上一共垒了50个箱子。”

他说:“我从最上面的箱子拿出来一块板,然后跑到(基金会创始人)Jack Lang的客厅,接上他的电视,板子能用了。我们又从最底下抽出了一块,中间随机又抽出一块,以防他们把能用的放在最上面。后来再插上电,启动成功,当时我们的感觉是,‘哇,这东西看来要火了。’然后我们在想也许我们能卖出50万套。”


第一批的树莓派 1 Model B产自中国。

自从2012年树莓派 1推出以来,这股势头就没有放缓的迹象。201年,全球售出的树莓派板件超过了2200万,迄今已经发布了3代,最近的是树莓派 3 Model A+,这款25美元的板子相对于2012年推出的机器已经有了大规模的升级。这种成功为一项广泛的教育拓展计划提供了资金,2017年该计划通过编码俱乐部的形式为超过15万儿童传授了一周的编程知识,并且通过该基金会的网上项目令超过850万人受到了教育。

从6个人起步的基金会现在已经发展成一家国际性的组织,在英国和美国军设有办事处,他们还开设了一个分支机构,Raspberry Pi Trading,来处理工程和交易活动方面的事务。甚至还有个小时候后倒腾树莓派的人现在也加入了他们的硬件团队工作了。

对于Upton来说,树莓派成功的证据不仅仅是卖出去的数千万块板子,而且也在于它让新一代的人也拥有他当年用BBC Micro编写游戏时感觉到的那种兴奋感的能力。

他说:“甚至很早你就开始能看到那些孩子们趴在客厅地板,看着街上树莓派的电视的图片,就跟我们过去一样。”

数年后,那些孩子纷纷进入大学,而申请剑桥大学计算机科学的数量再度开始攀升。

“我们现在人数已经涨到1000人了——你开始看到一切都变得不一样。”

Upton不断强调树莓派不是一个人的创造,从早期就是一群软硬件、营销、案例设计等方面专家的集体产物。这一点在今天更是如此。

他说:“我们喜欢对乔布斯的那种叙事手法,对Woz的那种叙事手法。但是当你开发的是像树莓派那么复杂的东西时,故事就不是那么讲的了。”

有个例子很能说明问题。那就是基金会是如何建立起这个庞大的树莓派会员社区的。这帮人经常相互帮助并且分享自己项目。这种强大的社区感很大程度上是由Liz Upton(现为基金会媒体总监)促成的,2011年她从一名自由职业记者转为自愿为基金会全职工作,Eben说她“发明了很多我们仍然用来跟社区互动的技巧”。

回顾过去,尽管Upton对基金会在2012年推出树莓派 1的成就感到自豪,但他说2014年的树莓派 1 Model B+才算是他们打算要做的计算机的样子。

他说:“如果你看看Pi 1 B+的话,你会发现那就是我们希望在2012年时能做出来的东西,但是必须做出牺牲。”

“之后我们得以增加更多的GPIO,形态因子也更加合理了,USB端口增加了,能效也更高了。”

该计算机的成功让实现树莓派原先的愿景变得可能。这款计算机推出的第二年,技术爱好者购入了超过250万台树莓派,原先板件数量少的挑战没有了。

下一个要推出的版本将是树莓派 4,不过Upton预计这款可能会跟之前的有很大的不同,需要迁移到一种全新的片上系统,从而支持更快更高效的处理器。这将是自树莓派 2以来的最大挑战,Upton说他们雄心勃勃的打算是在2020—2021时间窗内推出这块板件。

单板计算机在今天不值钱,而且对于冒充成树莓派那样的小东西——不管是香蕉派、橙子派还是草莓派,你也不能提什么要求。但是如果树莓派没有被做出来的话,世界会有什么不同呢?

Upton说:“这是个很吸引人的问题——但是没人知道答案,对吧?”

他猜想也许Arduino会从制作微控制器板件延伸到制造低成本的SBC(单板计算机)或者BeagleBoards的SBC也会降到树莓派的价格。也许他和树莓派的创造者们只是运气好点罢了。

“也许这只是一个时机刚好成熟的想法,而我们正好从中插了一脚。”

Upton说,从某些方面来说,树莓派的诞生需要一定程度的缺乏经验。如果他和他的同事一开始对所面临的挑战更清楚一点的话,他们也许就永远都不会着手去干这件事了。

他说:“知道吗,我认为我们就是太幼稚了。”

“一边是知之甚少,不足以让你为大胆的事情做好准备;另一边是懂得足够多,足以让你整合一直团队的力量。这两者之间有着微妙的界限。”

“从某种程度来说,缺乏知识于我们而言是一种恩惠。我们不知道什么是不可能的,所以我们做成了一件不可能的事。”(本文翻译自techrepublic,原文作者Nick Heath)

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