For the last 30 years digital chip design is not a schematic entry anymore: hardware engineers write code just like software engineers.

The difference is that the code software engineer writes becomes a chain of CPU instructions stored in memory, while the code in a hardware description language (HDL) becomes the CPU itself, its transistors and metal connections. And not only a CPU: the same technique is used to design processor-less ("fixed function") blocks in GPU that shuffle triangles and pixels, as well as network router chips that edit packet headers 100 times faster than CPU.

There are ways to experience this workflow without paying a million dollars to a silicon fab. One way is simulation, and another way is to use a matrix of reconfigurable logic cells, a Field Programmable Gate Array (FPGA). You can come on January 14 to Hacker Dojo in Mountain View, California. We have a bunch of computers and FPGA boards, and we will show you how to use them not only to blink LEDs but also to output graphics and recognize music.

This will change your perspective of what the code is.

The team developing a set of portable SystemVerilog examples decided to organize the first event in Silicon Valley on Sunday, January 14 from 2PM till 5PM at Hacker Dojo in Mountain View, CA. If the first event is successful we are going to make it recurrent. You can register for the event on Meetup or LinkedIn.

The current directions of the group:

Внутри каждого современного телефона несколько микросхем ASIC. Ими наполнены автомобили, стойки в центрах обработки данных, датчики «умного дома», и вообще все электронные устройства. Без чипов ASIC был бы невозможен быстрый интернет, трехмерные игры и ускорители машинного обучения. 

Микросхемы ASIC, их родственники FPGA и выросшие с ними технологии проектирования позволили закладывать сложные алгоритмы прямо в «железо». Они разрушили стереотип, что вычислительная система — это только процессор, память и программирование. В статье я расскажу, как развивались ASIC, какую роль в этом процессе сыграли FPGA и каким может быть «железо» будущего.

Need to start your career or hobby in digital design and verification of silicon chips or reconfigurable hardware? Explore multiple FPGA toolchains and open-source ASIC tools? Design your own RISC-V CPU or ML accelerator? Prepare for an interview in SystemVerilog? Come to our first Silicon Valley meetup on portable SystemVerilog examples for ASIC and FPGA.

Несколько лет назад мне довелось посетить университет Харви-Мадд, в котором работали Дэвид Харрис и Сара Харрис, авторы известного учебника "Цифровая схемотехника и архитектура компьютера". Cлучайно зашел в комнату, в которой сидела группа студентов и лежало нечто, напоминающее торпеду. Выяснилось, что это подводный робот, а студенты работают над общением этого робота с рыбами с помощью сонара (так я перевел для себя "IVER AUV for Sonar Mapping and Fish-Robot Interaction Modeling Projects"), и даже получили пару грантов на полмиллиона долларов.

Но чтобы студенты могли сделать что-нибудь полезное в обработке сигнала от сонара, им нужно знать кучу математики из области, которая в Америке называется DSP, а в России - ЦОС, или Цифровая Обработка Сигналов. Потом, в своих поездках по России я выяснил, что российские студенты в ЦОС тоже не лыком шиты.

Прошли первые три занятия Школы Синтеза Цифровых Схем в 18 вузах России и Беларуси. На втором занятии пошла речь о D-триггерах и их описании в современном SystemVerilog, а не в стареющем Verilog-2001 и не в допотопном Verilog-95.

D-триггер - это минимальный элемент состояния, он хранит 1 бит информации в течении 1 такта. Именно он делает электронику "умной", позволяет повторять вычисления, ждать события, организовывать конвейеры вычислений внутри микропроцессора, графического процессора, сетевого роутера.

В эти выходные в Silicon Valley прошла парти на 400 человек под названием GPT-Party, из которых все 400 человек говорили по-русски (когда ведущий спросил кто не говорит, никто не поднял руку).

На парти выступали основатели ИИ компаний, русские венчурные капиталисты (Давыдов, Шойфот, Орешкин), украинские венчурные капиталисты (Сорока) , а также креаторы контента (Алекс Кролл). Креаторы говорили, что из-за ChatGPT всех инженеров выгонят с работы и останутся только бармены и креаторы контента.

Под конец самый богатый человек на парти, основатель ABBYY Давид Ян - посягнул на проблему сознания. В качестве показателя прогресса ИИ в этой области Давид приводил решение компьютером задачек, в которых нужно ставить себя на место других людей. Типа (это не задачка Яна, а мой аналог приведенных им задачек):

В субботу прошло первое занятие Школы Синтеза Цифровых Схем. Записалось 650 человек в 15 городах России и Беларуси, пришли 400 (250 офлайн и 150 онлайн). Российский флаг на мониторе нарисован комбинационной логикой FPGA (первое что пришло в голову рисовать студентам сразу в двух кластерах). Вообще обычно на первом занятии мигают светодиодами, но мы решили пойти дальше и показали им как рисовать картинки. Для этого два счетчика формируют X и Y, а задача студента - реализовать функцию RGB (X, Y).

Из-за наличия зоопарка плат, версий Windows и Linux, а также EDA софтвера, глючных программаторов, и при этом свежих и недотестированных bash-скриптов, возникла ситуация полного ада, особенно у онлайн-пользователей (преподаватели на местах героически справлялись). Возникла ошибка, которая меня реально удивила. И не только меня:

Гугл переводит английское слово embarrassment как "смущение", но для британцев это не просто смущение. Для них это сродне ощущение во сне, в котором вы приходите на экзамен совсем не готовым и при этом голым. Когда британцы проводят семинар с какими-нибуть платами в далекой стране, они панически боятся, что плата не заработает и будет embarrassment. Поэтому они стараются использовать один тип плат в фиксированной конфигурации, если всего этого нельзя избежать вообще и просто показывать плату издалека.

В глубине души британцы завидуют русским, которые "able to cope with difficulties". И вот вам свежий пример: когда выяснилось, что на более чем 300 заявок (UPD: сейчас уже больше 600) на Школу Синтеза Цифровых схем в 15 российских кластерах (UPD: уже 19, из них один белорусский) не хватает FPGA плат, группа волонтеров реализовала возможность легкого портирования учебных примеров на зоопарк из более чем 20 типов плат от Intel FPGA, GoWin и Xilinx, с идеей расшириться до 50 типов, с креативным добавлением недорогих внешних устройств.

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.