В 2015 году скачивания первого русского издания учебника Харрис & Харрис завалили сайт британской компании Imagination Technologies. Книгу стали использовать в МФТИ, ВШЭ МИЭМ, МГУ, МИЭТ, ИТМО и других вузах. С тех пор вышло еще два издания - для ARM и для MIPS, и вот в январе 2022 года выходит новое - для RISC-V и оно уже доступно для предзаказа.

"Цифровая схемотехника и архитектура компьютера: RISC-V" вероятно станет стандартным учебником в российских вузах, как и источником информации для тех, кто хочет попроектировать процессоры на ПЛИС. Ничего лучшего на рынке нет. Паттерсон-Хеннесси не привязан к курсам по языкам описания аппаратуры и не обсуждает тайминг цифровой логики, а Таненбаум устарел.

Кроме этого, архитектура RISC-V становится билетом в будущее для российских процессорных компаний - Ядро купило Syntacore, Байкал Электроникс инвестировал в CloudBear, Миландр выпустил микроконтроллер с архитектурой RISC-V.

Если же вы не хотите работать в российских компаниях, а хотите пройти интервью на проектировщика чипа в Apple, Intel, NVidia, то и в таком случае учебник Харрисов - это самый эффективный способ начать этот путь.

Что общего между популярным у хоббистов компьютером Синклер ZX Spectrum и космической станцией Juno, которая сейчас вращается вокруг Юпитера? И на одном, и на другом стоит процессор с архитектурой Zilog. На Синклере просто Z80, а на Juno - радиационно стойкий Y180-S. Y180-S спроектировал Монте Далримпл (Monte J. Dalrymple), выпускник Беркли, который проработал 16 лет в Zilog, после чего сделал собственный бизнес, компанию под названием Systemide.

Мы связались с Монте и он согласился выступить перед российскими слушателями, рассказать о всяких занятных ситуациях при проектировании процессоров.

ПЛИС и Verilog - естественная платформа для обучения будущего проектировщика процессоров, так же как Си и микроконтроллеры - естественная платформа для обучения будущего программиста встроенных систем.

И один, и другой путь начинается с мигания огоньками на недорогой плате, но дальше пути расходятся. Встроенный программист смотрит в сторону самоуправляющихся авто, с задачами на RTOS и распознаванием ситуации с помощью AI в GPU. Проектировщик микросхем на уровне регистровых передач смотрит в сторону групп, разрабатывающих CPU, GPU, NPU и сетевые чипы, но какие упражнения он может делать между миганием огоньками и трудоустройством в Интел?

В чем главное отличие между FPGA-хоббистом, ностальгирующим по КР580ИК80 на пенсии - и начинающим микроархитектором, ориентированным на будущее трудоустройство в передовую процессорную компанию или сфинансированный венчурными капиталистами стартап?

Три слова: понимание концепции конвейера. Молодым профессионалом, не старым хоббистом.

Это наглядно видно, если вы погуглите тексты про FPGA для начинающих. Если текст пишет программист, которому захотелось потрогать FPGA чисто для разнообразия, он как правило до конвейера не доходит. Помигает лампочками, поговорит про конечные автоматы и может начнет встраивать какую-нибудь FPGA-реализацию старого 8-битного процессора.

(Некоторые из таких людей даже пишут книги - вот некий Роберт Дунне реализовал процессор конечным автоматом с состояниями fetch/decode/execute, но до конвейера не дожал)

Все это происходит потому, что понимание работы конвейера как правило требует некоего мозгового усилия, типа толчка штанги. И если мозг уже поставлен десятилетиями программирования на Си и ассемблере, он упирается, потому что это ему контринтуитивно.

Но это надо преодолеть, поскольку если вы прийдете интервьироваться в какой-нибудь AMD на позицию юного проектировщика, вас будут спрашивать не как помигать лампочками и засунуть Радио РК-86 в Xilinx, а как стоя перед интервьирующим написать на доске на языке описания аппаратуры Verilog - конвейерную реализацию какого-нибудь умножения со сложением. Или сделать это на компьютере отрезанном от интернета, так что вы даже не cможете нагуглить решение - вот садисты, а?

Именно этому вопросу будет посвящено следующее занятие Сколковской Школы Синтеза Цифровых Схем.

Однажды я решил ответить на сообщения в LinkedIn от рекрутерши безосовской компании Blue Origin, которая занимается разработкой и запуском космических аппаратов. Затем я прошел два раунда интервью: скрининг и 6-часовой марафон с дюжиной инженеров и менеджеров. Я не могу рассказать вопросы или описать диалоги с интервьирующими, потому что я подписал бумагу что не буду этого делать, но покажу пару вещей, о которых зашла речь еще до подписания бумаги, а также дам совет тем, кто хочет это повторить (совет кстати может быть применим не только при устройстве к Безосу, но и к Маску или Рогозину).

Одновременно с Blue Origin я интервьировался в другую компанию, интервью в которую по времени было такое же - час скрининга с инжиниринг-менеджером и шесть часов детальное интервью - но содержание было соовсем другое. Вообще обычно в электронных компаниях такое интервью - это просто марафон задачек на микроархитектуру (всякие извращенные FIFO, арбитры, кэши, кредитные счетчики), каверзные вопросы про тайминг (доходит до time stealing/time borrowing), пересечение тактовых доменов, дюжина способов оптимизации динамического энергопотребления при проектирования на уровне регистровых передач итд.

Но в компании Безоса все было по другому. Сначала нужно было написать эссе на тему "Что я думаю о космических кораблях бороздящих просторы Вселенной". Я написал следующее:

Сегодня взял в руки книжку Эндрю Таненбаума "Архитектура компьютера" (последнее издание на русском языке вышло в 2018 году). Я ее пролистывал лет 10 назад, но сегодня решил пролистать снова, чтобы быть абсолютно уверенным в том что я напишу ниже. А именно: это книжка была вредна для образования. Она плодила не инженеров-проектировщиков, а потенциальных игроков для телевикторины "Что-Где-Когда?" и спорщиков-всезнаек на форумах интернета, которые могли рассуждать часами о микрокоде и джава-процессорах, нагибая собеседников своей эрудицией про очереди микроопераций (стр 291 4-го издания 2003-го года) и защелках в трактах данных (стр. 286), но при этом ничего не могли сделать своими руками.

В субботу 13 ноября с 12.00 по Москве пройдет следующая сессия Сколковской школы синтеза цифровых схем, в режиме онлайн. По плану на ней должны были быть упражнения на FPGA плате с последовательностной логикой. Однако мы решили изменить план и переставить на эту дату занятие по архитектуре RISC-V. Это занятие было изначально запланировано 11 декабря. Занятие по последовательностной логике будет передвинуто на 20 ноября. Почему мы решили так сделать - см. обьяснение через три абзаца.

Занятие по RISC-V проведет проектировщик российского микропроцессорного ядра Никита Поляков из компании Syntacore. В Syntacore Никита перешел из компании МЦСТ где он проектировал процессор Эльбрус. 

Занятие будет состоять из лекции с одновременными упражнениями на симуляторе RARS. RARS моделирует процессор на уровне архитектуры (системы команд, видимых программисту), в отличие от симулятора Icarus Verilog, который мы обсуждали в предыдущей заметке и который моделирует на уровне регистровых передач / микроархитектуры (внутреннего устройства схемы процессора). Разработчику процессора нужно уметь пользоваться симуляторами обеих типов.

У RARS есть три кнопки - запустить, ассемблировать и выполнить шаг. В конце занятия вы будете уметь программировать на ассемблере, даже если раньше этого никогда не делали. В этой заметке мы расскажем, как установить симулятор и запустить простую программу на ассемблере. Потом в следующей заметке я напишу, что такого особенного есть в архитектуре RISC-V и почему мы выбрали для семинара именно ее, а не ARM, x86/64, MIPS, AVR, SPARC,  Эльбрус, Z80, 6502, PDP-11 или еще что-нибудь другое.

30 октября прошло первое занятие Сколковской Школы Синтеза Цифровых Схем. Из-за Ковида его пришлось провести в онлайн-формате. Трансляция первого занятия.

Возможно онлайн-формат - это и к лучшему, так как в офлайне в Технопарке Сколково есть только 25 посадочных мест, и мы приготовили только 25 FPGA плат, а количество заявок привысило 300. Теперь мы на спонсорские деньги от компании Ядро Микропроцессоры и Максима Маслова @Armmaster заказали еще 100 плат и собираемся их раздать бесплатно для занятий дома, преподавателям вузов и руководителям кружков в других городах.

Чтобы быть уверенным, что получатели плат смогут их использовать, мы поставили в качестве пререквизита их получения прохождение короткого онлайн-курса от Роснано (см. детали в хабрапосте Готовимся к Сколковской Школе Синтеза Цифровых Схем: литература, FPGA платы и сенсоры). 40 с чем-то участников школы прошли этот курс и им будут высланы платы, как только заказанные платы прибудут из Китая.

При этом, так как школа уже началась, а до следующего занятия 13 ноября еще есть время, мы решили попробовать другой пререквизит - решение последовательности коротких задач на верилоге (мы выложили их на гитхаб здесь), используя не плату, а бесплатный симулятор Icarus Verilog. Всем участникам, которые собираются дойти в курсе до проектирования процессоров, все равно нужно будет освоить механику кодирования на верилоге, а для этого симулятор просто быстрее, чем учить это на FPGA платах.

Мы с коллегами из МИЭТ, Ядро Микропроцессоры / Syntacore, МИРЭА, ВШЭ МИЭМ, МГУ, Иннополиса, ЧНТУ, Самарского университета, Siemens EDA и с поддержкой от Cadence Design Systems - проводим, начиная с 30 октября, курс на 13 суббот под названием "Сколковская Школа Синтеза Цифровых Схем". Это сильно расширенная версия трехдневной школы на ChipEXPO, которая прошла на ура в сентябре.

Суть школы - знакомство с маршрутом проектирования RTL2GDSII, который применяют проектировщики чипов в Apple, Intel итд, используя в качестве тренажера лабы на микросхемах реконфигурируемой логики FPGA, как это делают например в MIT в курсе 6.111. Помимо лаб на FPGA в курсе будет туториал по ASIC flow используя софтвер от Cadence, после которого, если мы договоримся, будет экскурсия на фабрику микросхем в Зеленограде.

Число регистраций снова в несколько раз превысило число посадочных мест в Сколково, поэтому большая часть участников вероятно будет проходить школу удаленно, как и зарегистрировавшиеся вне Москвы, в том числе в Белоруссии, Украине, Азербайджане, Казахстане итд - среди зарегистрировашихся есть даже русские живущие в Германии.

Перед нами девушка Лиля, с FPGA платой и учебником Харрис & Харрис в руках, на фоне самого высокого на Земле дерева Sequoia sempervirens, недалеко от Стенфорда в Silicon Valley.

Представьте, что вы приехали сюда в командировку в типичную электронную компанию. Усаживаетесь в офисе, входите со своего ноубука (в Америке их чаще называют лаптопами) в корпоративную сеть и пытаетесь что-то напечатать. А принтер не подсоединяется. Вы обращаетесь к ко-воркеру "Что делать?", а он вам говорит: "Обратитесь в IT". Вы в замешательстве "В Ай-Ти? А я что - не айтишник?"

Спокойствие. Если вы программист, вы не IT, вы software engineer и работаете в отделе Software Engineering Department. Если вы электронщик, вы тоже не IT, вы работаете в Hardware Engineering Department. IT Department - это другое, это отдельный от разработки отдел, это группа сисадминов, которые поддерживает внутри-корпоративную сетку и ведут учет выданых сотрудникам лаптопов.

Но это слишком тривиально, обсудим более интересный вопрос: вот все эти люди, которые пишут код на языке описания аппаратуры Verilog, который потом превращается в дорожки и транзисторы из silicon на фабрике - они программисты? Аппарентли, нет.

Школа синтеза цифровых схем, о которой вы могли читать месяц назад в посте "Проектировщики RISC-V из Yadro покажут школьникам как проектировать процессоры" - прошла на ура. Все 25 мест в офлайне в Сколково были все время заняты. Присутствовали школьники, студенты, преподаватели вузов и кружков. Всего было подано 86 заявок. Все ~70 FPGA плат которые пожертвовали Наносемантика, Максим Маслов и другие, были быстро разобраны, люди охотно проходили роснановский онлайн-курс чтобы получить сертификат и соответственно плату.

Из новых пунктов программы больше всего интереса вызвали опыты по распознаванию мелодий с помощью zero-crossing и конечных автоматов, реализованных в ПЛИС. Это занятие провели преподавательница флейты Мария Беличенко и молодые инженеры Семён Москоленко (МИРЭА) и Виктор Прутьянов (МФТИ, Сколтех, SberDevices) - см. видео в посте.

Так как школа оказалась популярна, ее решили расширить до полноценного семестрового курса по субботам, начиная с 30 октября 2021, с объемом материала на уровне университетских лабораторных по FPGA (типа MIT 6.111), к которым мы добавили элементы компьютерной архитектуры, базовый туториал для ASIC и некоторые умения из промышленности.

This year ChipEXPO conference in Moscow invited several Western speakers to present in English the emerging technologies in high-level HDLs, formal verification, open-source EDA and using industrual RISC-V cores for education. You can join these presentations on September 14-16 for free using this link (you may need to use google translate from Russian to go through the registration) https://eventswallet.com/en/events/282/

The whole program is here

The English-speaking presentations and tutorials include:

Через неделю будет выставка ChipEXPO, на которой для начинающих будет школа проектирования железа с упражнениями на FPGA платах, а для более продвинутых - конференция Микроархитектура, верификация и физическое проектирование микросхем.

И на части для школьников, и на части для взрослых будут выступать проектировщики RISC-V процессора из Syntacore / Yadro Станислав Жельнио и Никита Поляков. Сегодня Коммерсант сравнил этот проект с полетом на Луну.

Количество заявок на школу существенно превысило количество посадочных мест, но у нас еще остался небольшой резерв FPGA плат, с бесплатной их раздачей школьникам и преподавателям из далеких от Москвы городов, которые могут принять участие в школе онлайн. В начале этой заметке мы опишем как получить плату и установить софтвер нужный для упражнений.

Далее мы расскажем про новые упражнения в школе этого года - распознавание и генерацию музыки с помощью FPGA и приведем забавные сведения из советской физматшкольной книжки 1963 года как Бах изменил гаммы.

В конце поста мы покажем, как эта деятельность поможет получить в будущем интересные и высокооплачиваемые работы в Apple, Intel, SpaceX, как и самом в модном в этом сезоне российском микроэлектронном проекте - Syntacore / Yadro (в конце поста скриншоты их объявлений).

Если вы изучили начала цифровой схемотехники и компьютерной архитектуры по книжке Харрис & Харрис и потом вознамерились пойти собеседоваться на позицию проектировщика микросхем в Apple или NVidia, то вы интервью не пройдете. Посколько вы наверняка получите вопрос про реализацию в хардвере очередей FIFO, а это в Харрис & Харрис не описано.

Хуже того, даже если вы возьмете книжку Digital Design by William Dally & Curtis Harting, которую используют для обучения студентов в Стенфорде, и прочтете ее от корки до корки, то у вас все равно мало шансов, потому что, хотя FIFO там и есть, но в очень базисной форме, а контроль потока данных заканчивается на скид-буферах.