Сегодня в некоторой русско-американской группе по QA (я не даю ссылку потому что она закрытая, хотя и многочисленная) некий молодой человек задал вопроc как войти в Quality Assurance Automation. Я сказал, что могу показать путь в Design Verification, который является фактически специализированным QA в области проверки функциональности цифровых аппаратных блоков, спроектированных с помощью синтеза из кода на языке описания аппаратуры SystemVerilog (я их собственно и проектирую). Так как получить ответ захотело еще человек десять, я понял, что нужно писать пост. К счастью, я об этом писал более 10 лет, так что можно делать выжимки из предыдущих постов.

Карьера Design Verification Engineer с писанием сред тестирования на SystemVerilog может понравится опытным программистам, которые хотят сменить карьеру с например писания программ на Джаве. В SystemVerilog есть элементы объектно-ориентированного и симулированно-многопоточного программирования. Суть деятельности заключается в создание фреймворков, которые тестируют хардверные дизайны на прочность, бомбардируя их превдослучайными транзакциями и учитывая покрытие интересных сценариев (functional coverage).

В России не любят Линукс. Студенты и корпорации всячески отлынивают его использовать, даже если Линукс насаждают преподаватели или госзаказчики. Но есть область, в которой Линукс придется полюбить. Это разработка микросхем. Даже внутри Apple и Microsoft инженеры используют Synopsys Design Compiler / IC Compiler и Cadence Genus / Innovus, у которых вообще нет версий для Windows и MacOS, только для Linux. Да, я знаю, что Synopsys и Cadence ушли из России. Но даже открытые тулы для синтеза ASIC - Open Lane - есть только под Linux.

Я уже несколько лет использую для семинаров по FPGA загружаемые через USB SSD диски, на который ставится весь необходимый софтвер. Такое решение позволяет избежать агонии первого дня семинара, когда приходит куча народу со своими ноутбуками, три часа ставят Quartus, а потом мучаются с драйверами USB Blaster для китайского контрафактного клона, который без танцев с бубном не хотят поддерживать не Win10, ни Linux, ни особенно Win11, который хочет подписанные драйверы.

А как же виртуальные машины? - спросите вы. С моей точки зрения они вносят дополнительный уровень танцев с бубном. И это не мое дремучее мнение - так же считает мой приятель, который работал над виртуализацией в Микрософте. То оно USB порт не пробивает, то еще какие-нибудь глюки. Плюс учить дополнительные опции, качать и копировать файлы в десятки гигабайт. А тут вставил в USB порт, и если загрузится, то заработает.

Конечно, загружаемые SSD тоже не без проблем: тут и Legacy BIOS boot против UEFI boot, и Secure Boot с Bit Locker, и зловещий "хвост GPT", и отрубание всего из-за скачка напряжения в USB хабе - но с этими проблемами мы методично разобрались. Решение я и описываю в этой заметке, предназначенной в первую очередь для учеников и руководителей кластеров в Школе Синтеза Цифровых Схем, которая начинается с сентября в 14 российских городах (объявления и точных дат еще нет, но уже записалось 200 учеников).

Прежде всего: как выглядит загружаемый SSD? А вот так:

Любая комбинация софтвера и цифрового хардвера - от микроконтроллера, двигающего дворники у автомобиля - до серверной фермы с много-много-ядерными процессорами, аппаратными ускорителями ML и ChatGPT - сводятся к конечному автомату с достаточно большим состоянием. Независимо от сложности и адаптивности программ.

Сводится ли к конечному автомату человеческий интеллект? К сожалению, у человеческого интеллекта есть атрибут, природа которого современной науке неизвестна и который никогда не наблюдался у конечных автоматов, например у арифмометра. Этот атрибут - ощущение собственного "я", self-awareness. Конечно вы можете сделать в программе переменную "я_чувствую_собственное_я" и присвоить ей true, а потом утверждать, что вы симулируете собственное "я", но это жульничество, а не технология.

Я вовсе не пытаюсь нагонять мистику или агитировать за бога. Self-awareness наверняка такой же физический феномен, как какая-нибудь термоядерная реакция. Но скажем древние греки не знали природы термоядерной реакции. Наверное, они вели диалоги типа "если ты не веришь, что Солнце - просто большой костер из дров, то значит ты веришь в сказки про Зевса и других богов?"

В викенд я зашел в кафе Red Rock и встретил там программистку встроенных систем Машу Горбунову. Вообще, у этого кафе в Маунин-Вью, Калифорния можно встретить кого угодно - например однажды на меня прямо из-за угла вылетел основатель Гугла Сергей Брин. Так вот Маша рассказала мне что программирует RTOS (семафоры, мейлбоксы, сигналы), чему выучилась в свое время в питерском институте ГУАП (аэрокосмического приборостроения).

Я решил, что такая девушка не должна оставаться в другой отрасли и показал ей плату ПЛИС, внутри которого можно засинтезировать пару ядер ARM микроконтроллерного класса. На что Маша среагировала так (видео):

Согласно статье Ивана Покровского «Возможности и проблемы отечественной микроэлектроники», в России всего две тысячи разработчиков микросхем. Для сравнения: в каждой крупной международной электронной компании есть несколько команд, работающих над чипом или над IP, в каждой по паре сотен разработчиков (хотя бывает и меньше ста, и больше тысячи).

Две тысячи человек — это мало для любого сценария развитии России:

1. Как для сценария, в котором санкции будут сняты и российские компании будут безпроблемно работать с TSMC и западными партнерами для разработки маркетируемых на мировом рынке чипов.

2. Так и для сценария, в котором российские разработчики будут строить экосистему проектирования в условиях изоляции, ориентироваться на производство микроконтроллеров и встроенных микросхем на зеленоградском Микроне, а также на сотрудничество в разработке semiconductor IP с китайскими производителями.

В других стран бывшего СССР ситуация еще хуже.

Что же делать? Для ответа на этот вопрос мы привлекли Машу Горчичко — выпускницу МИФИ, которая защитила диссертацию в Университете Вандербильда в Теннесси. Маша работала инженером в Роскосмосе, а сейчас работает в Кремниевой Долине, разработчиком в компании Applied Materials — одного из лидеров в оборудовании для производства микросхем.

Представим Машу, которая будет пояснять и иллюстрировать наши тезисы на видео. От себя прибавлю, что МИФИ — крутой вуз, в нем внутри есть ядерный реактор, а на входе стоит автоматчик:

Длинный извилистый путь Школы Синтеза Цифровых Схем приближается к годовой кульминации. 21-23 пройдет хакатон по процессорам в зеленоградском МИЭТ, после чего 150 слушателей из дюжины российских городов оправятся готовится к майским праздникам, приближающимся сессиям и лету.

Но для тех, кто воспринимает школу не просто как научпоп, а реально собирается стать проектировщиком микросхем, мы приготовили экзамен с задачками в духе задачек на собеседованиях в Silicon Valley. В некоторых крупных электронных компаниях для решения таких задачек соискателя заводят в комнату без интернета, и он делает это под глазами экзаменатора на компанейском компьютере. Но так ученики школы не волшебники, а только учатся, экзамен выкладывается открытым, но по его результатам школа будет давать рекомендации в электронные компании.

Для экзамена мы выбрали три темы в четырех упражнениях:

Сейчас я интервьирую кандидатов которые приходят на позиции в RTL design / проектировщики микросхем на уровне регистровых передач. Но 5 лет назад я интервьировал студентов и других инженеров на позиции в DV / Design Verification / верификаторы блоков микросхем.

Моим стандартным вопросом было написать маркером на доске псевдокод для упрощенного драйвера модели шины (Bus Functional Model - BFM) для протокола AXI. На этом вопросе у ~80% кандидатов наступала агония - они как ужи на сковородке пытались натянуть сову на глобус - приспособить решение для последовательной шины а-ля APB, которое они прочитали в каком-нибудь тьюториале - к шине AXI, которая во-первых конвейерная, а во-вторых, допускает внеочередные ответы на запросы чтения с разными идентификаторами.

Аналогия из другой области: представьте, что кто-то пытается обходить дерево или решить "ханойские башни" - не зная концепций рекурсии и стека. Или написать GUI интерфейс, не зная концепции cобытийно-ориентированной архитектуры.

Все знают про язык программирования C, поменьше — про язык программирования F, кое‑кто про B, предшественник C, а вот знаете ли вы про язык «e»? Их кстати два — один с большой буквы «E», а другой с маленькой «e».

Вы наверное подумали, что это еще один безызвестный язык от какого‑нибудь аспиранта провинциального европейского университета. Однако интерпретатор маленького «e» под названием Specman продали в 2005 году большой компании Cadence Design Systems за $315 милионов долларов. Причем президента продающей компании Verisity звали Гаврилов. Также можно нагуглить, что этот язык использовали внутри компании Intel. Что же в нем такого, что вызвало интерес у толстых богатых корпораций?

Однажды мне не спалось ночью и я залип на сайтах про паяльники. Возникло желание купить и сразу появились вопросы: на сколько ватт? Не больше 30? А почему большинство на 60-80 ватт? 60/40 олово свинец? А почему куча паяльных станций идут в комплекте с lead-free проводами припоя? Канифоль сейчас внутри проводов? А почему есть и провода припоя без канифоли? Бронзовую мочалку для очистки? А почему столько комплектов с и белой и бронзовой?

Вспомнил и повод, чтобы научиться паять. Когда-то Руслан Тихонов, руководитель кружка из Москвы, говорил мне что хочет сделать простые упражнения на платах ПЛИС для школьников. Как часть триады "микросхемы малой степени интеграции - ПЛИС - Ардуино". По этому поводу я купил самую дешевую плату с CPLD Altera MAX II (ныне это Intel FPGA), но обнаружил что у нее не припаян переходник.

Я выставил вопросы по паяльники на фейсбук и после оживленной дискуссии мой приятель Денис Никитин вызвался научить меня паять как полагается. Денис работает проектировщиком печатных плат в компании Zoox, ныне часть компании Amazon. Zoox делает беспилотные автомобили, то есть Денис на передовом рубеже паятельного прогресса. Я заснял мастер-класс от Дениса на видео:

Вчера у меня в ленте на фейсбуке (жаль что в закрытом посте) проявился еще один аспект ChatGPT, жуть которого я не вполне осознавал. Представьте, что ваш менеджер присылает вам емейл: "я вот тут сгенерил с помощью ChatGPT код на языке описания аппаратуры SystemVerilog, который реализует мою идею, ты его поправь немного и в продакшн, а то нас сроки поджимают".

Почему это жутко? Потому что в обсуждаемом посте ChatGPT сгенерил так называемый несинтезируемый код. Это означает: код вроде и есть, и после массажирования даже будет компилироваться в симуляторе, но вот чип из него сделать нельзя. Никак, вообще никак. Для решения этой задачи нужно написать совсем другой код, у которого не будет ни одной строчки общего с тем, что прислал менеджер.

То есть менеджер думает, что вместе с ChatGPT сделал за вас 90% работы, а на самом деле.

У разных электронных компаний вопросы на интервью немного отличаются. В одной интервьюер на скрининге (первом интервью) спросит кандидата на RTL позицию про конечный автомат, в другой про арбитр, кэш или конвейер, в третьей про упорядочение неупорядоченных транзакций. Но на большом интервью вопрос про очередь FIFO появится практически всегда - не первым/вторым, но третьим.

Это может быть элементарный вопрос "напишите на доске (физической, ха-ха, без доступа к интернету и ChatGPT) код для FIFO на D-триггерах". Или это может быть обсуждение микроархитектуры какого-нибудь извращенного FIFO, например FIFO с отменой вталкиваний, или с возможностью втолкнуть и вытолкнуть переменное количество кусков данных за такт, или с конвейером и кредитным счетчиком, или работающее на памяти с высокой латентностью, или асинхронное FIFO из статьи Клиффа Каммингса про пересечение тактового домена.

Эта заметка является сиквелом заметки "FIFO для самых маленьких", а также приквелом занятия в Школе синтеза цифровых схем в ближайшую субботу. Главное нововведение - все примеры и упражнения теперь делаются не только в симуляторе, но и на плате ПЛИС.

У меня был в свое время практикант из Стенфорда, от которого я получил инсайдерскую информацию, чему их там учат. Потом я интервьировал много студентов, и понял, что если человек не делает самостоятельных проектов в вузе, а просто плывет по течению программы как медуза, то будучи выброшенным на берег индустрии, он становится совершенно беспомощным.

Когда я вижу у недавнего выпускника в резюме какой-то из протоколов в котором используется valid/ready, например AXI или AHB, я прошу его спроектировать блок, у которого на входе два числа A и B, а на выходе их сумма. Разумеется не просто написать SUM=A+B, а еще и поставить valid/ready сигналы на каждый из A, B, SUM, чтобы A и B могли приходить в разное время, а также чтобы блок ждал, если SUM не может быть передана другому блоку сразу.

Некоторые не справляются. Грустно смотреть на человека, который потратил 6 лет своей жизни (4 года в бакалавриате и 2 года в магистратуре) и океан денег на образование - и не может сложить два числа и бьется как угорь на сковородке. То блок не работает когда числа приходят в разное время, то создатель забывает снять valid, и блок на 2+2 выдает не 4, а 4-4-4-4-4-4-4... То числа складываются не попарно, а просто записываются в регистры и на выход идет их текущая сумма, хотя количество аргументов A и B не совпадает. То не отрабатывается backpressure и результаты теряются, то (после того как кандидат написал страницу кода на верилоге) блок работает на половинной производительности, то есть не может принимать поток чисел подряд, а ожидает между ними пропуски (gaps). Короче ведет себя как ChatGPT.

10 лет назад в Санта-Клара, Калифорния, неподалеку от Интела и NVidia, стоял кампус Huawei. В нем работали не только китайцы, но и вообще обычная публика Silicon Valley - индусы, американцы, даже русские попадались. Бизнесмены калифорнийских электронных компаний говорили "Huawei - это дверь в Китай" и заключали с ними крупные сделки.

Но американское правительство Huawei невзлюбило. Можно обсусоливать те или иные поводы, но коренная причина понятна - американскому правительству хочется, чтобы Америка сохраняла технологическое преимущество. Ибо если технология коммодифицируется и айфон не будет ничем особенным, то кто будет читать брошурки про продвижение демократии, распостраняемые американскими посольствами в других странах? Над ними будут просто смеяться.

И вот правительство начало Huawei жучить - и от Андроида отлучило, и от других критических технологий. Но на всяких хитрецов найдется гайка с левой резьбой. И вот что Huawei стал делать по этому поводу.

Обнаружил интересный баг американской системы образования:

У многих студентов в резюме стоит "делал курсовой проект по алгоритму Томасуло, out-of-order суперскаляру, многопоточному процессору итд".

На это я спрашиваю: "Прекрасно, давайте возмем два процессорных ядра - одно со статическим конвейером, а у другого с динамическим, как в вашем курсовике. Насколько ваш процессор будет производительнее?"

На это они отвечают "процессор будет производительнее, потому что" - и начинают ковыряться в деталях зависимостей между инструкциями.

На это я машу руками и говорю "стоп-стоп-стоп. Я не просил вас объяснить мне что такой RaW (read-after-write), WaR и WaW зависимости. Я вообще не спрашивал у вас "почему?" Я спросил у вас "сколько?" Я просил вас грубо оценить пользу от вашей разработки.

Я работаю проектировщиком аппаратного блока графического процессора в телефонах Samsung, в рамках совместного проекта с AMD. Сейчас наш менеджмент расширяет команду и поощряет инженеров распостранять информацию о новых позициях среди своих знакомых. Я решил написать это пост для более широкой аудитории, так как множество людей, способных пройти интервью на RTL или DV позицию - больше, чем множество моих знакомых. Если вы сможете прислать мне ответ на задачку в моем посте вместе с вашим резюме, я перешлю его нанимающему менеджеру и рекрутеру нашей группы (в комментах прошу ответ не писать). Если резюме им понравится, вам нужно будет пройти стандартное собеседование на несколько часов, с несколькими инженерами, у каждого из которых свой набор задачек.

Также я покажу материалы, по которым можно готовиться к собеседованию, особенно если вы студент или у вас ограниченный опыт в микроэлектронной промышлености.

AMD проводит суперкомпьютерный день в Назарбаевском Университете в Астане, в Казахстане. 29 сентября. Можно подсоединиться по Зуму. Зарегистрироваться можно до 27 сентября по ссылке. 

Вообще приезжающие в Астану замечали, что в городе есть амальгамация духа советских городов с духом американского Лас-Вегаса, в частности в элементах архитектуры.

Теперь можно добавить и другое сходство: в Лас-Вегасе помимо казино есть университет, в котором еще в допотопные времена стояли суперкомпьютеры и велись конкурсы на качество распознавания образов. Также там сейчас преподает Сара Харрис, соавтор известного учебника. Кроме этого в Лас-Вегасе иногда проводится конференция DAC по автоматизации проектирования электроники. Почему бы не превратить Астану в евразийский центр такого рода?

В прошлое воскресенье 4 сентября я обнаружил, что GitHub-организация DigitalDesignSchool, в которой я являюсь одним из владельцев, забанена Гитхабом с формулировкой "ваш аккаунт может быть предметом американских экономических санкций".

Пораскинув мозгами и посовещавшись с моим приятелем, основателем московского интернет-провайтера RiNet Сергеем Рыжковым, у которого в тот же день забанили счет в Ситибанке в Лондоне, я решил: нужно бороться.

Design Automation Conference (DAC) - главная выставка софтверных компаний, которые создают средства проектирования чипов. Именно на ней появляются стартапы, которые определяют проектирование через 10-15 лет (например появление Synopsys на рубеже 1980-1990-х привело к появлению iPhone в середине 2000-х).

На DAC помимо выставки и официальных докладов есть также и poster session - молодые исследователи из университетов вывешивают в виде плакатов, чем они занимаются. Я методически сфотографировал все постеры во время последней конференции DAC в Сан-Франциско, и вот перед вами картина маслом:

(я также выложил версию этой заметки с большими картинками - если вы хотите покопаться детальнее, а не просто обозреть с птичьего полета, это лучше делать там)

Оказывается, в Кыргызстане, который в 11 веке стоял аккурат посередине Великого шёлкового пути, спустя тысячу лет появились проектировщики цифровых схем на уровне регистровых передач. Во время семинара «Модели бизнеса и основы технологий микроэлектроники для Центральной Азии» мы встретились с инженерами Азаматом Бексадаевым и Бахтияром Кукановым, которые принимали участие в разработке двух блоков на верилоге для международного проекта Parallella. Этот проект был инициирован американской компанией Adapteva, которая сейчас превратилась в Zero ASIC.

Основой технологии Adapteva была решетка из большого количества процессорных ядер внутри одной микросхемы. Ядра имели собственную архитектуру под названием Epiphany и были оптимизированы под энергоэффективные вычисления с плавающей точкой. По микроархитектуре каждое ядро было суперскаляром с внеочередными выполнением инструкций (out-of-order – OoO).

В модном и молодежном учебнике электроники от Харрисов есть пример простого конечного автомата - "улыбащейся улитки". Я решил наглядно показать, как можно в домашних условиях реализовать улитку на трех технологиях:

1. Микросхемы малой степени интеграции CMOS 4000. Первая массовая КМОП-серия, выпущенная в 1968 году. 20 микрон то бишь 20 тысяч нанометров. На таких микросхемах учились электронике бумеры, то бишь люди, родившиеся во время бэби-бума 1950-х годов и вошедшие в технологию в начале 1970-х. В том числе Стив Джобс и Стив Возняк.

2. Микросхемы программируемой логики Altera Cyclone IV, ныне Intel FPGA Cyclone IV. 2009 год, 60 нанометров. Интеловская микросхема, в которой вообще нет никакого процессора, только набор логических ячеек, между которыми можно программировать соединения. Удобна как тренажер для будущих проектировщиков микропроцессоров, так как для построения в схемы внутри FPGA не нужно делать заказ на фабрике.

3. ASIC-технологии фабрики Skywater - лидера американского импортозамещения. 2019 год, 130 нанометров. На своем вебсайте компания пишет что они единственная в США контрактная фабрика микросхем, у которой нет инвесторов-иностранцев: "SkyWater is the only US-investor owned pure-play semiconductor and technology foundry". Поэтому в них инвестировал 170 миллионов долларов Пентагон.

На работе у меня есть доступ и к технологии 3 нанометра, но показать ее вам на Хабре не могу, поэтому прошу вас поверить мне на слово, что и на 3 нанометра "улыбающаяся улитка" работает. Кстати, все это будет на семинаре в Бишкеке на следущей неделе.