FPGA *

15 лет назад я думал что образование в области компьютерной архитектуры поломано только в России, а на Западе с этим все хорошо. Что значит "поломано"? Студент может поговорить про суперскалярные процессоры и многоядерные кластеры, но не может ничего спроектировать.

Но потом я поинтервьировал кучу западных студентов, и обнаружил что такое явление есть даже в вузе X с хорошими учебниками и стоимостью образования $90 тысяч в год.

Просишь студента написать модуль на верилоге на десять строк строк с простой (хотя и не из учебника) функциональностью, и он начинает извиваться, как уж на сковородке: пишет какие-то временные переменные, пытаясь затянуть интервью чтобы вышло время и/или по моему выражению лица пробует угадать идет ли он в правильную сторону или пишет ерунду.

И я выдвинул теорию, что им профессор дает готовый код процессоров посимулировать и посинтезировать, а сами они на верилоге ничего не пишут. То есть у меня в голове образовалась модель такого студента, своего рода теоретический Бозон Хиггса, который умозрительно представили задолго до обнаружения.

И вот сегодня я такой Бозон Хиггса засек на LinkedIn. Выпускник этого самого вуза X написал пост, как он изучал учебник Хеннесси-Паттерсона. Он показал фото листка бумаги, испещренного заметками и диаграммами. Он просто сидел, читал по частям учебник и делал такие заметки.

Проблема с такого рода обучением заключается не только в том, что у студента может образоваться каша в голове - например он может путать обычный кэш с кэшем трансляций адресов в TLB. Он может также понять некоторые вещи наоборот и протащить такое понимание до конца, так как у него нет практики, которая бы отсекла такую ошибку сразу. Ну и то что он 90% информации забудет по пути - это тоже данность.

Ну я короче написал ему, что нужно каждую концепцию подтверждать для себя упражнением. Выучил статический конвейер CPU - написал процессорик с несколькими инструкциями на несколько сот строк. Выучил кэш - написал модуль на несколько сот строк. Предсказатель перехода итд. И ради бога, без чатгпт - с ним это не выучится.

А также брать процессоры с открытым кодом, запускать их в симуляции и смотреть как в нем инструкции ходят по конвейеру.

Для Бозона Хиггса эта идея была в новинку. А между тем такой же подход нужно делать и с курсами по компиляторам, и ядрам OS.

Хотя зачем я все это говорю. Сейчас грянет LLM и наша цивилизация исчезнет.

Про колёсо Илона (оно же "колесо Mecanum") я с коллегами узнал достаточно давно. Году в 2018 мы загорелись желанием изготовить свой вариант четырехколёсной тележки на колёсах Илона чтобы освоить программирование её кинематики и начали с проектирования собственно колёсного хаба. К слову сказать, таких колёс на просторах известного китайского маркетплейса - вагон и маленькая тележка, но нам захотелось изготовить колесо своего дизайна. Подробности о кинематике тележки на четырех колёсах Илона можно прочесть в статье на Wikipedia.

Коллега ЧПУшник за пару недель полностью спроектировал колесо в 3D и даже изготовил один хаб (из двух симметричных половинок) из сплава Д16Т на нашем фрезерном ЧПУ в 5-ти координатах. Много лет этот хаб лежал на витрине и пугал своей экзотичной формой посетителей нашего офиса. В марте-апреле 2025 года у нас образовалось некоторое количество свободного времени и мы решили задействовать его с пользой, то есть дожать тему колёс Илона. Мы изготовили оставшиеся три хаба, для чего пришлось полностью переписать программу для ЧПУ чтобы сделать инверсную копию колеса. Запроектировали и изготовлили на токарном ЧПУ латунные втулки для роликов, а на 3D принтере напечатали сами ролики из эластичного материала. Оси роликов изготовили из калибровонного прутка Ф6 пищевой нержавейки.

Собрали всё воедино и установили на платформу с четырьмя шаговыми двигателями типа NEMA17, привод на колёса от которых передается через червячные редукторы с числом редукции 1:30. Для подачи сигнала на ШД использовали драйверы DRV8825 от дешманского 3D принтера предоставленного на разграбление всё тем же коллегой. Блок управления запрограммировали на Verilog-е для разработанной ранее плате "Карно" предназначенной для обучения ПЛИСоводству. В качестве дистанционного управления тележкой выбрали пульт ДУ от телевизора, так как код его декодера очень прост в реализации на Verilog и уже применялся нами для другого аналогичного проекта.

Как видно из приведенного выше видео, первая проба нашей тележки получилась не очень удачной, в ней имеются следующие проблемы:

1. Слишком большое редукционное число (1:30) делает перемещение тележки очень медленным. Радикально увеличить частоту сигнала STEP (сейчас это 16 кГц при режиме MODE=1/16) не получается - шаговики теряют синхронизацию и перестают вращаться. Планируем зменить редукторы, воможно вместе с ШД, на BLDC.

2. Из-за отсутствия подвески любые неровности поверхности приводят к потере сцепления одного из колёс, что моментально сказывается на направлении движения тележки.

3. Число роликов в колесе требуется увеличить (сейчас их 6 шт), чтобы обеспечить плавный переход от одного ролика к другому, иначе заметны рывки.

4. Ролики требуется изготавливать гладкими из резины с высоким коэф трения, 3D печать не дает качественной поверхности и такие ролики плохо сцепляются с половым покрытием. Тут есть варианты: выточить на ЧПУ из полиуретана или отлить из эластопласта в пресс-форму. Возможности для этого имеются.

Ждем следующей паузы в основной деятельности, чтобы заняться разрешением выявленных проблем нашей тележки. На этом пока всё.

Код блока упраления тележкой на языке Verilog для ПЛИС: https://github.com/Fabmicro-LLC/KarnixMecanumTest

Дизайн платы "Карно" выполненный в САПР KiCAD: https://github.com/Fabmicro-LLC/Karnix_ASB-254

PS: 3D модель колеса Илона выложу позже, после доработок.

Собеседование инженера: взгляд со стороны нанимающих специалистов

Интересно бывает послушать, над какими проектами работал человек. Но эта часть биографии частенько оказывается приукрашена и в позиционировании кандидата не помогает. В резюме может быть 30 лет опыта с описанием задач, спрашиваешь по ним, а ответа нет. Потому что человек, например, все 30 лет копипастил одно и то же, не вдаваясь в суть. Вообще, обсуждение опыта снижает эффективность собеседований, делает их… расхлябанными, что ли.

Частая ситуация на собеседовании — недостаточно глубокое погружение в интерфейс, с которым у кандидата был опыт работы. Например, указан опыт работы с протоколом USB. На собеседовании после нескольких вопросов по архитектуре протокола оказывается, что кандидат просто вставлял готовый IP без понимания принципов его работы. Но в резюме это заявлено как полноценный опыт работы с протоколом.

Когда смотришь, где человек работал, это не значит, что он там таки работал и надо трепещать перед громкими именами или регалиями. Важно не где ты работал, а что и как ты делал. Иначе будет как в старом советском анекдоте: один хвалится, что у него тетя в исполкоме работает, а в конце все узнают, что работает она там уборщицей и ничего не решает...

Семеро специалистов YADRO по направлениям схемотехники, верификации, RTL-дизайна, FPGA и аппаратной разработки рассказали, как подготовиться к собеседованию инженера, как настроиться на диалог с компанией и получить дополнительные очки в свою пользу.

Проверяй, пока не поздно: функциональная верификация в жизненном цикле СнК

Представьте, что вы строите сложнейший механизм, где сотни тысяч элементов должны работать в идеальной синхронности. Ошибка в одном месте — и вся система может остановиться или начать вести себя непредсказуемо. Именно для того, чтобы этого не произошло, существует верификация — один из самых важных этапов разработки систем на кристалле (СнК).

Без верификации вероятность ошибок очень высока, и это может привести к некорректной работе оборудования. Поэтому задача инженеров-верификаторов — тщательно изучать документацию, разрабатывать тестовые сценарии и подтверждать, что аппаратура соответствует заявленным характеристикам и функционирует так, как задумано.

Время, необходимое для прохождения жизненного цикла СнК, зависит от команды и применяемых технологий. В индустрии считается, что эффективная работа означает выпуск нового тейп-аута (tape-out) раз в полгода. Это говорит о том, что процессы налажены и команда работает с высокой скоростью.

Однако сроки могут значительно варьироваться. Если проект строится на полностью собственных разработках без использования сторонних решений, цикл разработки может растягиваться до трех лет. Все определяется стратегией компании: в одних случаях обновления происходят каждые шесть месяцев, в других — раз в несколько лет.

В статье Дмитрий Кишко, руководитель группы функциональной верификации в YADRO, рассказал, как устроена работа инженера-верификатора, какие задачи решает команда на этапе проектирования и почему верификация — это отличный вход в профессию для тех, кто интересуется «железом» и кодом. 

Масштабируем симуляции Verilator с помощью k8s и Julia

SystemVerilog отжил свое? На пятки наступает Scala/Chisel?

DARPA, управление перспективных исследовательских проектов Минобороны США, описывает Chisel как технологию, позволяющую маленьким командам создавать большие цифровые проекты. И я вполне могу с этим согласиться, но есть нюансы.

Chisel — это, по сути, библиотека Scala, а точнее, Domain Specific Language. Языку Scala уже больше 20 лет, он постоянно развивается, сочетает функциональное и императивное программирование. При написании кода на Scala вам доступны все библиотеки Java. 

Scala — это масштабируемый язык, который позволяет добавлять свои языковые конструкции. На основе Scala можно создать язык под свои задачи. Так 12 лет назад и поступили инженеры в Беркли: выкинули из Verilog 90%, оставив только нужное, и обернули все это в Scala. Получился Chisel. 

Chisel используют прежде всего для создания RTL-описаний. Также он позволяет проводить симуляцию несложных модулей. Это удобно для создания юнит-тестов и моделирования работы различных алгоритмов. В плане симуляции не стоит возлагать на Chisel такие же надежды, как на System C или что-то подобное. Симулировать вы сможете лишь очень маленькие схемки, а генерировать — хоть целые кластеры из тысяч процессоров, вообще все, что захотите.

На основе Chisel/Scala можно написать свой HLS-инструмент (High Level Synthesis), где одним росчерком пера вы будете создавать очень большие схемы, что с использованием одного Verilog невозможно.

В блоге YADRO Денис Муратов подробно сравнил Chisel/Scala с SystemVerilog в создании RTL-описаниях, раскрыл основные преимущества и недостатки альтернативы, а также ее дополнительные возможности — функциональное программирование и переиспользование модулей.

Как тестируют чипы перед производством: что такое системная верификация 

Системы на кристалле (SoC) состоят из логических и функциональных блоков. Такое деление позволяет независимо разрабатывать разные части системы, а затем модульно отлаживать их в изолированном окружении. Функциональная верификация — это процесс тестирования таких блоков по спецификации. Она проводится перед отправкой чипа на завод и называется pre-silicon стадией. Без этой процедуры велик шанс получить нерабочий чип, причем в объемах всей произведенной партии.

Проводить тесты можно при помощи таких инструментов, как:

• Функциональные симуляторы (например, QEMU) — работают очень быстро, но в отличие от других инструментов не предоставляют достоверной информации о работе устройства. Зато QEMU может почти молниеносно осуществить подачу требуемых данных и выдать результат в виде «прошел» или «не прошел», а также некоторые логи.

• Потактовые симуляторы (например, VCS) — у них есть внутренняя система планирования времени, но скорость работы низкая. Они нужны для сбора трассировочных файлов, по которым можно восстановить состояние любого регистра и провода в любой момент.

• ПЛИС — специальные вычислительные платформы, на которые можно загрузить и запустить «образ» своей микросхемы, будто это уже готовое физическое устройство. ПЛИС значительно быстрее потактовых симуляторов, но при этом дает представление о реальном поведении системы на кристалле.

У каждого решения есть плюсы и минусы, и не всегда очевидно, какое лучше подходит для решения конкретной задачи. Именно поэтому придумали концепцию косимуляции, при которой микросхема делится на небольшие логические части, каждая из которых запускается в отдельном окружении. Наша задача как инженеров верификации — настроить бесшовное соединение этих частей. Так мы заметно ускоряем работу потактового симулятора, потому что распределяем его нагрузку на другие элементы системы.

Как тестируют чипы на примере задач хакатона и как стать инженером по верификации, в статье рассказывают победители прошлогоднего SoC Design Challenge.

Этого не найдешь в документации к Xilinx Zynq

Производители SoC, как правило, предоставляют окружение для разработки и документацию с примерами реализации универсальных решений. Но много важных деталей упускается или скрывается от пользователя. В итоге нетривиальная модификация системы требует долгих исследований и экспериментов. 

Изучили все нюансы на практике за вас, реализовав проект запуска Embedded Linux на Hard- и Soft-процессорах Xilinx Zynq. Пойдем по этапам:

1. Разработаем проект программируемой логики.

2. Соберем операционную систему.

3. Запустим ОС и верифицируем проект.

В качестве бонуса: запустим ОС Soft-CPU на эмуляторе QEMU и разработаем bare-metal приложение в обход IDE Vitis.

Только что вышел первый коммерческий маршрут синтеза для FPGA на Apple Mac - его надо срочно протестировать! Прошу всех у кого есть Apple Mac и плата от Gowin - скачать Gowin V1.9.10.03 Education (Mac) и клонировать с гитхаба примеры BGM и попробовать запустить их вместе. Для этого возможно понадобиться модифицировать bash скрипты в директории scripts, но если кто-нибудь это сделает и пришлет pull request, это будет здорово - можно будет сообщить и Gowin-у, и использовать для Школы Синтеза.

К нам на митапы в Hacker Dojo в Маунтин-Вью, Калифорния, часто приходят студенты с маковскими ноутбуками и на вопрос "как запустить софт для разработки на Маке", мне приходилось отвечать: "на Маке пока работает только симуляция с Icarus Verilog, а также нестабильный открытый софт для синтеза на основе OSS CAD Suite, с которым нужно обходить разные проблемы, так что пока купите на eBay старый x86 компьютер, поставьте на него Линукс и упражняйтесь на нем". Но с новым софтом от Gowin картина радикально меняется!

Замечу, что синтез у Gowin гораздо быстрее чем у Xilinx и Altera, а платы - дешевле и достаточные. Поэтому Gowin может реально отобрать кусок образовательного рынка - Xilinx/AMD и Intel/Altera просто слишком медленно шевелятся.

Большинство университетских профессоров в мире - ленивые. Как выдумали в 1970-е годы преподавать дизайн конечных автоматов примером FSM для светофора (Traffic Light Controller FSM), так и тянут эту бодягу и по 21-му веку. При том, что современные дизайнеры чипов не светофоры конструируют, а ускорители тренировки нейросетей.

Короче мы на Школе Синтеза Цифровых Схем решили преломить эту дурную традицию (которая встречается от Южной Америки до Средней Азии и Филиппин, с провинциальными вузами в Штатах включительно) и ввести в преподавание современный хардкор. То есть сделать домашку с конструированием FSM для управления блоками FPU выдранными из современного реального открытого RISC-V процессора.

По сложности начинается не сложнее светофора, зато куда ближе к реальности и можно сделать миллион вариантов домашек и экзаменов, чтобы студенты друг у друга не списывали один и тот же светофор.

Пример домашки: сконструировать FSM (а потом и конвейер) для вычисления такого-то ряда Маклорена (для синуса, экспоненты итд), имея в наличии N блоков умножения, M сложения и R деления с плавающей точкой - с разными латентностями.

При обсуждении такой домашки возник вопрос нужно ли для операций с плавающей точкой устанавливать флаг error для нечисел и бесконечностей. Конечно нужно, потому что это удобный повод рассказать про концепцию NaN и Infinity. Полез в википедию и в шоке обнаружил, что статья IEEE_754 на русском отсутствует, хотя есть на украинском. Это непорядок, нужно срочно поправить!