В России всего 2000 проектировщиков чипов. Что с этим делать?

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 развития России:

1. Как для сценария, в котором санкции будут сняты и российские компании будут беспроблемно 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 Российских космических системах, 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:

Также, если вы посмотрите на Машин linkedin, вы можете увидеть, что она получила сертификат окончания школы по управлению спутниками, а также спроектировала I2C контроллер на верилоге для ПЛИС в Роскосмосе.

Да, но вернемся к 2000 российcким инженерам. Собственно что делать, понятно: нужно привлекать в отрасль больше молодежи, начиная со школьников. Чтобы к моменту поступления в вуз они уже представляли возможность развития своей карьеры в проектировании микросхем, на втором курсе писали бы на SystemVerilog на уровне регистровых передач, на третьем осваивали бы технологии верификации, на четвертом — физическое проектирование, на пятом — продвинутую микроархитектуру.

Альтернативы такому подходу нет. Если начинать привозить разработчиков из Калифорнии, Тайваня, Великобритании, Индии и других таких мест, то возникнет вот какая проблема: большинство разработчиков — люди узкоспециализированные, и если набрать винегрет инженеров и ученых на разные темы, которых объединяет лишь желание получить много денег от россиян, то они через пару лет разъедутся обратно и каши за это время не сварят.

При этом привлечение и обучение молодежи — это комплексная задача, и в этой заметке мы затронем только самое начало ее решения: увеличение воронки входа.

Фундаментальная проблема заключается в том, что перед проектированием процессоров и прототипированием их на ПЛИС студенту приходится хорошо повозиться с упражнениями по скрупулёзной перестановке битов между тактами, а для таких упражнений не у всех есть мотивация. Но эти упражнения можно сделать более интересными, если превратить их в игру с графикой:

Прежде чем продолжить с ПЛИС — что такое проектирование цифровых микросхем вообще? 50 лет назад инженеры рисовали вручную на бумаге дорожки и транзисторы, 40 лет назад возили мышкой по экрану, расставляя логические элементы, но 30 лет назад произошла революция так называемого логического синтеза. После нее мейнстримом стало проектирование цифровой части микросхем с помощью кода. Но не кода программы для запуска ее на процессоре, а кода на языке описания аппаратуры (Verilog или VHDL), который можно превратить в сам процессор:

Теперь что же такое ПЛИС. Это своего рода кубики лего для проектировщика. Микросхема, которая состоит из ячеек с изменяемой логической функцией. Причем изменяемой не на фабрике, а у вас на столе. Записываете одну последовательность бит в память конфигурации — ячейка стала логическим элементом И, записываете другую — она стала D‑триггером:

Теперь как выглядит один из примеров графики на ПЛИС:

Но это динамический пример, в котором изображение движется. Начинать лучше со статического примера, в котором школьник просто пишет на верилоге комбинационный код (то есть код без элементов состояния), который вычисляет цвет в зависимости от координат на экране. Координаты x и y, как и сигналы для генерации развертки, выходят из уже написанного модуля vga в пакете упражнений. Если к нему добавить например вот такой код, то на экране появится парабола с цветовым переходом:

    wire [Y_WIDTH * 2 - 1:0] x_2 = x * x;

    always_comb
    begin
        red   = '0;
        green = '0;
        blue  = '0;
        if (display_on & x_2 [9 +: Y_WIDTH] < y)
        begin
            red   = x [X_WIDTH - 2 -: 4];
            green = y [Y_WIDTH - 2 -: 4];
            blue  = '1;
        end
    end

Этот код превращается не в программу (последовательность команд процессора, как в Ардуино), а в граф из логических ячеек, по которому конфигурируют ПЛИС:

Пример же, который показывает Маша на видео, требует дополнительных элементов последовательностной логики, а именно счетчиков, которые меняют свое значение со временем, на основе тактового сигнала с частотой 50 MHz. Этот код выглядит так (см. по ссылке Pattern 2):

Сначала, на каждом положительном фронте (переходе из 0 в 1) тактового сигнала мы увеличиваем значение 23-битного счетчика cnt:

    logic [22:0] cnt;

    always_ff @ (posedge clk)
        if (rst)
            cnt <= '0;
        else
            cnt <= cnt + 1'd1;

Счетчик — это по сути комбинация из сумматора и D‑триггеров, которая работает так:

Затем на основе счетчика мы генерируем сигнал enable, пульс, который возникает на 1 такт шесть раз в секунду: 50 MHz / 2 в степени 23 = 6 Герц:

wire enable = (cnt == '0);

Теперь мы заводим два 8-битных счетчика, dx и dy, которые будут увеличиваться в зависимости от того, нажимаем ли мы или не нажимаем две кнопки.

Кнопки используют негативную логику. Если кнопка не нажата, то с нее приходит 1, а если нажата — 0. Так как мы используем еще и сигнал enable, сгенерированный от счетчика cnt, наших два новых счетчика будут увеличиваться максимум на 6 за секунду:

    logic [7:0] dx, dy;

    always_ff @ (posedge clk)
        if (rst)  // сигнал сброса
        begin
            dx <= 4'b0;
            dy <= 4'b0;
        end
        else if (enable)  // это условие срабатывает 6 раз в секунду 
        begin
            dx <= dx + key [2]; // Если кнопка 2 не нажата, увеличиваем dx на 1
            dy <= dy + key [1]; // Если кнопка 1 не нажата, увеличиваем dy на 1
        end

Теперь прибавляем эти счетчики к координатам при вычислении цветов и получаем движущийся узор:

    wire [3:0] xc = x [X_WIDTH - 2 -: 4];
    wire [3:0] yc = y [Y_WIDTH - 2 -: 4];

    always_comb
    begin
      red   = '0;
      green = '0;
      blue  = '0;

      if (display_on)
      begin
        red   = xc + xc + yc + dx;
        green = xc - yc - dy;
        blue  = { 4 { ~ key [0] } };
      end
    end

В ПЛИС, который показан на видео, Intel FPGA / Altera Max II — всего 240 реконфигурируемых логических ячеек. Это очень мало, по сравнению с количеством ячеек ПЛИС на типичных студенческих платах (десятки тысяч) и особенно ПЛИС которые используются для прототипирования промышленных процессоров (миллионы). Например в AMD Xilinx Virtex UltraScale+ VU19P FPGA — 9 миллионов ячеек. Но даже UltraScale+ ПЛИС меркнет по сравнению с фиксированными микросхемами ASIC, в которых могут быть миллиарды транзисторов, что соответствует сотням миллионов cтандартных ячеек ASIC (ASIC standard cell), что соответствует десяткам миллионов ячеек ПЛИС. Именно такие микросхемы стоят в смартфонах и автопилотах автомобилей.

Но для самого начального обучения малое количество ячеек — это лучше, чем большое, так как оно позволяет вырастить интуицию, какие конструкции в верилоге «тяжелые», а какие «легкие» (или «дорогие» / «дешевые» в смысле ресурсов). Например генерация одной параболы (схема первого примера) в ПЛИС влазит, а вот генерация двух — нет. Потому что для параболы требуется операция умножения, а она «тяжелая».

С другой стороны, пример с движущимся квадратным «ковром» занимает всего треть ПЛИС‑а, потому что операции сложений, которые в нем используются — «легкие». Правда в примере с ковром много ячеек уходит на биты состояния (D‑триггеры) для счетчиков.

Можно устроить соревнование среди школьников, кто сделает самый красивый узор (или самую интересную игру типа пин‑понг) используя ограниченное количество ячеек ПЛИС (или несколько соединенных плат). Вся информация где купить платы есть в README.md репозитория проекта Пайка, ПЛИС и Линукс (Исходники, презентации, задания и примеры для летнего лагеря по пайке, микросхемам ПЛИС и синтезу цифровых схем из кода на верилоге под Линуксом).

Хотя пакет работает и под Linux, и под Windows, мы рекомендуем учить школьников под Linux. По банальной причине: все разработчики микросхем, даже в хардверных отделениях Microsoft и Apple, делают синтез и моделирование под Линуксом. Просто потому что разработчики используют программы Synopsys Design Compiler и Cadence Genus + Innovus, и у этих продуктов нет версий ни под Windows, ни под Макинтошем, только под Linux.

Я проверил, что Intel FPGA Quartus с пакетом fpga‑soldering‑camp работает под несколькими российскими дистрибутивами Linux, включая:

• ALT Linux Образование

• Simply Linux

• Astra Linux

• Ред ОС

• ROSA Linux

• Green Linux

Все их можно применять на летних лагерях школьников.

Мы уже опробовали летние школы с ПЛИС на Летней Школе Юных Программистов в Новосибирске и на школе в МИЭТ в Зеленограде. Правда и в одном и в другом случае были тщательно отобранные школьники.

Что же школьник может делать после такой школы? Они может выбрать путь стать проектировщиком микросхем и пойти учиться в МИЭТ, МИЭМ, МИРЭА или ИТМО, или решить стать прикладным математиком в области алгоритмов автоматизации проектирования и пойти на ВМК МГУ. Или использовать эти знания для специализации в проектировании систем (system design) из процессоров, GPU, ПЛИС, специализированных чипов и софтвера. Хорошая следущая ступенька — это Школа Синтеза Цифровых Схем, которая только в прошлую субботу выдала дипломы 92 участникам. В альбоме участники 11 площадок Школы: ИНБРЭС, Иннополис, ИТМО, МИРЭА, МИЭМ, МИЭТ, НГТУ, Самара, СибГУТИ, УрФУ, ЯДРО:

Те из них кто прошел или пройдет экзамен, описанный в заметке на Хабре «Хотите проектировать устройство, которое использует миллиард человек — решайте микроархитектурные задачки» — получит рекомендации в ведущие электронные компании.

Как сиквел для Школы Синтеза через неделю в МИЭТ будет хакатон по процессорам:

Да, но что же дальше для школьного этапа и летних школ? Во‑первых, чисто чтобы начать движуху, мы с моим приятелем Сергеем Рыжковым, основателем интернет‑провайдера RiNet — готовы выделить начальные 100 тысяч рублей для поддержки такого рода летних школ. Эти платки по 240 логических ячеек вместе с коннекторами стоят всего около 2000 рублей на школьника, так что этого уже должно хватить для скажем школы в Новосибирске, если они захотят местными силами этим заняться, и еще 3–4 школ.

Во‑вторых, если есть интерес у преподавателей кружков, летних школ и центров для школьников, мы с Машей можем записать более подробные видео с инструкциями. Что вы думаете?