Вчера известный разработчик FPGA дизайнов и печатных плат Николай Ковач, основатель marsohod.org из Таганрога, добавил поддержку платы Марсоход3GW2 в репозиторий примеров для Школы Синтеза Цифровых Схем, в которую сейчас идет регистрация. Плата покрывает нужды Школы для упражнений с цифровой логикой, синтезом простого микропроцессорного ядра, распознавания и генерации звука и красивой графикой на HDMI дисплее с 24-битным цветом.

Почему это важно и как это связано с Мишустиным, США, Китаем и другими глобальными обстоятельствами? Да от решения микроархитектурных задачек на таких платах непостредственно зависит уровень проектировщиков российcких чипов через несколько лет:

Если десятью словами: неумением ставить корректные эксперименты и экстремально гипертрофированным ощущением собственной важности. Я не буду описывать конкретный случай, с которым я столкнулся, а опишу выдуманный случай с такими же чертами.

Предположим к вам обратился товарищ, который хочет чтобы вы дали ему контакты принимающих решения менеджеров и топ-алгоритмистов в условном Микрософте. Зачем? После обмена репликами, где он сначала сопротивляется, выясняется что он изобрел новый алгоритм сортировки. В качестве доказательства он показывает программу на питоне, которая, по его словам, сортирует 10 чисел быстрее чем сортировка по умолчанию на питоне.

Встретился на ланч с Дэвидом Харрисом, автором (вместе с Сарой Харрис) популярного учебника «Цифровая Схемотехника и Архитектура Компьютера», который за последние 10 лет помог закрыть монументальную дыру в техническом образовании десятков вузов России и Украины. До этого учебника во многих вузах сразу после триггеров шло программирование микроконтроллеров, то есть раньше у многих студентов вообще не возникала база для проектирования современных чипов по маршруту RTL‑to‑GDSII, технологии, которая за последние 30 лет привела нас к смартфонам, быстрому интернету и ускорителям ИИ.

Учебник Дэвида активно используется на Школе Синтеза Цифровых Схем, которую поддерживают 24 российских и 1 белорусский университет. Регистрация на новый сезон Школы только что открылась.

В прошлое воскресенье в хакерском клубе в Маунтин-Вью прошла встреча русских и украинцев живущих в северной Калифорнии (1, 2). На встрече особенный интерес вызвало обсуждение работ по проектированию микросхем: проектирование на уровне регистровых передач на языке описания аппаратуры Verilog, верификация/тестирование, прототипирование на FPGA. Далее при обсуждении встречи на фейсбуке возник вопрос "вы не планируете провести такую же тусовку в южной Калифорнии?" Я подумал "почему бы и нет", благо я все равно буду в LA в конце месяца, так как мой младший сын перевелся из CalPoly в UCLA и я еду с ним на ориентацию.

Я примерно набросал программу с учетом встреч в Маунтин-Вью и предыдущего опыта семинаров в странах бывшего СССР:

В воскресенье состоялась встреча в хакерском клубе Hacker Dojo в Silicon Valley. Встреча была анонсирована в украинской фейсбук-группе U4U Uniting for Ukraine USA и русскоязычной группе Russian Speaking US QA Network. Заявленная тема была "Учимся паять", но так как участники спрашивали "и какое это имеет отношение к трудоустройству", то под конец я показал:

1. Как компроненты, к которым мы паяли хедеры (микрофоны и аудио декодеры) - применяются в упражнениях c FPGA платами.

2. К каким типам работ ведут упражнения на FPGA платах: проектировщик логики блоков микросхем (RTL Design Engineer), тестировщик/верификатор (Design Verification Engineer) и инженер для работы с клиентами (Application Engineer).

Мария закончила Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, после чего приехала в Силиконовую Долину, где сейчас работает программисткой встроенных систем в крупной электронной компании. И представляете - Мария до прошлого воскресенья не умела паять! Она зашла в клуб хакеров Hacker Dojo, где я как-раз заканчивал Verilog Meetup - и пока я собирал FPGA платы, она забрела в мастерскую в соседней комнате, где один из местных крутых пайщиков научил ее припаять ее первый в жизни пин. Видели бы вы счастье в ее глазах, когда она вбежала в комнату и стала показывать всем пин! А потом напаяла целый хедер пинов, спаяла микрофон INMP441 и I2S аудио-интерфейс, с мостиками припоя, возбужденно показывая, какие красивые и аккуратные получаются контакты, не пузырьками, а правильно обволакивающими пин стекшими конусами припоя!

Короче, мы это все продолжим в следующее воскресенье. Причем по заявкам радиослушателей, подключим всех онлайн через зум, по линку  https://bit.ly/yuri-panchul-zoom .

Я уже описал мероприятие в предыдущей заметке "Паяльник как инструмент опрощения и для атмосферы общения". В этой заметке я опишу в основном что нужно для участвующих через зум. Им нужно купить паяльник, и еще несколько вещей, а также выучить пять движений в видео ниже:

Тут был диспут пару дней назад на фейсбуке с социологом Алексеем Рощиным, в котором он сделал совершенно безумное заявление "в России нет и не может быть чипов, а если что-то и есть, то оно на два поколения устарело". Понятно, что в России чипы есть, например микроконтроллер MIK32 АМУР, выпущенный в Зеленограде на основе процессорного ядра от питерской компании Syntacore. Причем если сравнивать Амур его с STM32 U0 2024 года (низкопотребляющий микроконтроллер от мирового лидера на 90 нм, 56 MHz), то нельзя сказать что российское "на два поколения устарело". У микроконтроллеров крутость не в нанометрах (чип на 3 нм все равно не выдержит рядом с горячим автомобильным двигателем), а в системных и микроархитектурных решениях (трюки для экономии динамического энергопотребления, эффективный DMA, даже AI расширения в стиле ARM Ethos-U55).

Учитывая, что Рощин - человек не безумный, я попытался понять, что он имеет в виду, и кажется понял.

Лев Толстой пахал, Петр Первый работал в токарной мастерской, а мы, труженники Силиконовой Долины, по воскресеньям паяем. Присоединяйтесь к митапу по обучению пайке, который пройдет в воскресенье 11 августа в городе Маунтин-Вью, Калифорния, в клубе хакеров Hacker Dojo. Мы начнем в 14.30, сразу после митапа по верилогу и вернем вам ощущение присутствия в Дворце Пионеров в Киеве, Волгограде или Алма-Ате, а заодно расскажем и про Verilog и FPGA, чего в Дворцах Пионеров не было.

UPD: При обсуждении поста в соцсетях спросили, нельзя ли подсоединиться удаленно. Можно по зуму, линк https://bit.ly/yuri-panchul-zoom .

Детей недостаточно учить только питону и ардуине. Нужно еще и цифровой схемотехнике, причем не на симуляторе, так как он для ребенка неубедителен, а на микросхемах малой степени интеграции, лучше которых для иллюстрации функции D-триггера никто с 1968 года ничего не придумал.

Но учить канонично по книжкам 1970-х не обязательно. Например, ну зачем ребенку руками собирать генератор тактового сигнала на микросхеме 555, если его теорию он все равно не поймет, а для понимания функции D-триггера понимание работы генератора нерелевантно? Генератор на 555 можно купить уже собранным на AliExpress.

Также можно заменить батарейку на 9 вольт на питание от USB на 5 вольт; поставить толерантные к 5 вольтам светодиоды, не требующие дополнительных резисторов и поставить кнопочки, не требующие подтягивающих резисторов. В результате все сведется к самой сути - логическим элементам и D-триггерам, откуда уже можно переходить на ПЛИС / FPGA. Вот сравните схему сдвигового регистра. Что вы по этому поводу думаете?

Было:

Gowin has clear advantages over Xilinx in the educational FPGA board market: Gowin boards are several times less expensive, the synthesis speed is several times faster, and the EDA package is two orders of magnitude smaller: we are talking about 1G versus 100G disk space. Of course, Xilinx is still the king of high-end prototyping boards that cost $10K-100K, but for the students such boards are irrelevant; such boards are for ASIC design companies. A beginning EE student needs a board for less than $100, and Gowin not only fits the bill but also covers all the needs, specifically:

На конференции FPGA-Systems был предоставлен маршрут проектирования блоков микросхем на основе использования C++ под названием ИРИС. Докладчик - заведующий кафедрой Мехмата МГУ Эльяр Гасанов. Его группа имеет значительный опыт проектирования оптимизированных по производительности блоков, например LDPC декодера, и ведет свои истоки из сотрудничества с LSI Logic в середине 1990-х годов.

Мои мысли после просмотра презентации:

Я не понимаю, как на это реагировать. Некий товарищ полгода спрашивает у меня советы как начать с Verilog/FPGA/ASIC, но при этом ничего не начинает, хотя его вопросы становятся все более экзотическими. Чтобы было понятнее, опишу как бы это выглядело для программирования. Предположим к вам пришел молодой человек и спрашивает как научиться программировать. Вы ему говорите что-нибудь типа:

"Сесть за компьютер, написать и запустить программу Hello, world. Одновременно скачать книжку с описанием языка и базовых приемов и читать ее в общественном транспорте, перед сном и в приемной у зубного врача. Периодически садиться за компьютер, написать и отладить программы: сортировки массива, игры Жизнь, ханойских башень итд. С выводом на текстовый терминал, окно в GUI или веб-страницу - по вкусу. Далее вы поймете в какую сторону копать или не идти в это дело вообще."

Молодой человек вас горячо благодарит и уверяет как он сильно хочет стать настоящим программистом. Потом он Hello, world не пишет и никакой книжки читать не начинает, но последовательно спрашивает у вас:

Году в 1993 мой приятель микрософтовец Лев Белов при встрече с безумными глазами произнес «Ты понимаешь, что это все! Window NT спортировали на Альфу! Все, архитектура x86 с Интелом закончилась!»

И вот архитектура DEC Alpha вновь возникла в моем дискусе в диалогах на линкдине пару дней назад. Инженер по имени Александр Кушнеров высказал утверждение, что на Альфе не получилось или было принцииально невозможно достичь низкого энергопотребления.

Тезис про «принципиально невозможно» мне кажется сомнительным. Поэтому я высказал вот какие соображения:

Бывший посол США в России Майкл Макфол уже пару лет занимается санкциями против России, в том числе в микроэлектронике. Это происходит в рамках так называемой «Группы Ермака‑Макфола».

Документы группы пишут гуманитарии, например они путают Xilinx и Zilog, или «поправляют» слово ARM на слово ARMY, а также считают, что Zynq — процессор, а не гетерогенная система на кристалле с FPGA.

Кстати, Макфол мог бы попросить технических коллег из Стенфорда это править — в Стенфорде крутая электроника, его ректором был Джон Хеннесси, создатель процессоров MIPS и соавтором двух самых известных учебников по компьютерной архитектуре в мире.

Но короче, в прошлую пятницу Макфол устроил созвон в Zoom для платных подписчиков его блога на substack, я к этому созвону присоединился и задал ему такой вопрос:

Since the New Year we had 7 Verilog meetups at HackerDojo. We discussed the modern way of designing digital circuits using hardware description languages, the exercises on FPGA boards and the topic of microarchitecture. For the last two sessions we went over the most basic CPU core that can be used as a baseline for further exercises.

Now, in order to make progress toward the goal of creating new educational materials, it is essential for the regular participants to solve all the homework exercises (see the details in the post below) in parallel with studying the recommended materials.

The next steps are:

1) We are going to do weekly Zoom calls on Sundays, starting March 24, 2024 at 11 am California time (summer time). The link. During this call we are going to discuss the SystemVerilog Homework and the individual projects.

2) Once we develop more materials, we are going to organize a Show-and-Tell session in Hacker Dojo, for a wider audience. During the session several participants from the core team will present demos on various FPGA boards and explain to the curious how FPGA and ASIC work.

Last week I was doing a seminar on SystemVerilog, ASIC and FPGA at ADA University in Baku, Azerbaijan. I will replicate the last two sessions of this seminar, on RISC-V CPU simulation and synthesis, at the Verilog Meetups on March 3 and March 10 at Hacker Dojo, Mountain View, California. For this reason I am combining the information about Azerbaijan and California seminars in a single post.

First, let's talk about ADA University.

The first meetups of the Portable SystemVerilog Examples group at Hacker Dojo in Mountain View, California were a kind of brainstorming sessions. We discussed the electronic industry, the essence of modern chip design, and the challenges of educating new design engineers. Then we moved to a new mode of action. We started weekly meetings of the core R&D team with the goal to prepare educational materials for the events for a larger audience. The meetings are generally held on Sundays from 11 pm to 2 pm. If you cannot come to Mountain View, you can join online.

We are focusing on interview-level microarchitectural and CPU design examples, providing FPGA vendor-neutral infrastructure and compatibility with open-source ASIC design tools.

The second meetup of the Portable SystemVerilog Examples group on January 21 2024 at Hacker Dojo in Mountain View, California, went as planned: we moved from the stage of presenting the project to the self-introductions of the participants and the initial tutorial with the first examples. We also started distributing the tasks. The next meetup is tentatively scheduled for January 28 at the same location, from 2 pm to 5 pm. The contents of the meeting will be to work on the examples: basics-graphics-music and systemverilog-homework.

The meetup on January 14 at Hacker Dojo in Mountain View, California, went well, although not as planned - we spent almost all the time talking instead of doing hands-on exercises. The room we booked can fit 30 people and approximately 30 people did show up. The quality of participants was high: approximately half were familiar with hardware description languages and another half came from various software topics. 12 people filled out the questionnaire despite the fact that I forgot to bring 30 pens.

The discussion during and after the presentation was focused and very meaningful: microarchitecture and education, EDA infrastructure / build scripts, open-source ASIC design tools, the economics of ASIC design and manufacturing, high-level synthesis, transaction-level modeling, ASIC prototyping using FPGA boards, FPGA embedded in ASIC (Menta), new FPGA manufacturers (Gowin) and new design languages - Chisel and SpinalHDL.

Four persons came to me after the meeting to discuss their participation in working on open-source portable SystemVerilog examples, and another seven expressed this intention in the questionnaire. So we are meeting again in Hacker Dojo on Sunday, January 21, at 2 PM, this time not in the classroom area, but in the common shared area.

Generally, I am thinking of having regular meetings, probably on a weekly basis for a small team of developers of the educational materials and on a monthly basis for a wider audience, discussing various design and verification topics.

There were two correspondents of Slavic Sacramento who recorded the video of the presentation. They are going to make it available soon.

"Но как провезти в чемодане баночку урановой руды в Москву из Сан-Франциско?" - спросил я у итальянца Габриэле Горла, которого встретил на выставке самоделкиных, Maker Faire в городе Вальехо (этот город интересен тем, что дважды был столицей штата Калифорния, один раз на неделю в 1852 году, а другой — в течение месяца в 1853, но впрочем пост наш не о нем).

Габриэле рассмеялся и подтвердил, что таможни, авиалинии и спецслужбы не очень дружелюбны к таким идеям. Сам он использовал баночку на выставке, чтобы показать работу счетчиков Гейгера собственного производства. Я прикрутил его счетчик к своей FPGA плате, чтобы показывать его на своих семинарах в России и Украине, и обсудил с Габриэле, как модифицировать мой дизайн, чтобы оценить энергию частиц по ширине получаемого импульса.

Только придя домой, я обнаружил, что Габриэле не просто самоделкин.