Основа основ современных гаджетов — технология создания “систем на кристалле” (СнК, по английски System on Chip, SoC). Как обучить этой черной магии XXI века российских студентов? Об этом возник разговор на семинарах, которые организовала весной в пригороде Лос-Анджелеса британская компания Imagination Technologies, являющаяся одним из разработчиков внутренностей Apple iPhone. Через неделю такие же семинары пройдут в России — для их организации Imagination скооперировалась с ведущими российскими университетами — МГУ, МИФИ, МИЭТ и ИТМО, а также с известным производителем микроконтроллеров, аризонской компаний Microchip Technology. Помимо недели семинаров 26-30 октября, семинары в сходном формате пройдут Самарском Аэрокосмическом (5 ноября) и в МФТИ (9 ноября).




Фетиш колбасы и айфонов

Утверждение, что в России не делают айфоны, стало таким же культурным клише современности, как 40 лет назад — рассказы про 50 сортов западной колбасы, которых не было в советских гастрономах. Не так давно появившиеся российские телефоны Yotaphone не снимают все аргументы критиков, ибо эти телефоны построены на микросхемах, которые были спроектированы и произведены в других странах.

Нельзя сказать, что на российском фронте микросхем для своих айфонов и других гаджетов — полная безнадежность. В мае группа российских компаний «ЭЛВИС» и британская компания Imagination Technologies выпустили совместный пресс-релиз, в котором описали планы создания совместных микросхем (систем на кристалле), которые будут содержать как блоки, разработанные в Лондоне и Калифорнии, так и блоки, разработанные в подмосковном Зеленограде. При этом «ЭЛВИС» — известный разработчик микросхем для космоса, Imagination — партнер Apple по разработке микросхем в Apple iPhone, а в пресс-релизе упоминаются современные кремниевые технологии с размером базового транзистора 28нм-10нм.

Другая российская компания “Байкал Электроникс” также в мае назад объявила о выпуске российского высокопроизводительного микропроцессора для встроенных систем “Байкал Т1”. Это уже реальные микросхемы, которые “Байкал” начал раздавать для тестирования инженерам потенциальных заказчиков, в том числе зарубежных. “Байкал Т1” также использует блоки от Imagination и производится на Тайване, но система на кристалле была спроектирована в России, поэтому процессор может называться российским.




Значит ли это, что эпоха российских микросхем того же класса, как и в продуктах Apple, вот-вот наступит? Не совсем. Таких групп разработчиков, как “ЭЛВИС” и “Байкал Электроникс”, в России всего несколько. Вот если бы их стало несколько десятков, а сделок типа ЭЛВИС-Imagination — несколько сотен, — тогда бы можно было говорить, что Россия становится пусть не следующими США или Китаем в электронике, но хотя бы следующим электронным Израилем или Южной Кореей. Главным ограничением роста является недостаток квалифицированных кадров. Молодых инженеров для ЭЛВИС-а и подобных компаний учат всего в нескольких российских университетов. Как привести образование в большом количестве российских технических вузов к уровню лучших университетов США, Западной Европы и развитых стран Азии?

Микропроцессор своими руками

Первый шаг — обновить учебники. Недавно вышел на русском языке новый учебник для младших курсов «Цифровая схемотехника и архитектура компьютера» созданный профессорами Дэвидом и Сарой Харрис. Этот учебник распространяется бесплатно в электронной форме как часть образовательных программ Imagination Technologies, которая купила права на русское издание у издательства Elsevier и организовала его перевод большой группой профессоров российских и украинских вузов, работников российских электронных компаний, а также русских инженеров европейских и американских компаний — Imagination, AMD, Apple и других. В переводе участвовал и фонд инфраструктурных и образовательных программ РОСНАНО.





Отличительная черта нового учебника — вводит студента в проектирование микросхем и программирование одновременно, как это и нужно делать в эпоху сложных систем на кристалле, и привязывает все к практике. Студенты строят собственный простой микропроцессор и сравнивают его с реальным индустриальным микроконтроллером Microchip PIC32.




Но как это возможно — для студента сделать микросхему? Ведь начальная плата за производство коммерческой партии микросхем на фабрике типа тайваньской TSMC (сноска: Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), как правило, превышает миллион долларов.

Ответом является технология, которая называется FPGA (аббревиатура от англ. field programmable gate array, “программируемые пользователем вентильные матрицы”). Это специальные микросхемы, которые представляют собой матрицы из ячеек, логические функции и соединения между которыми можно многократно менять после изготовления. Они гораздо дороже и медленнее, чем обычные специализированные микросхемы, но для них нет “начального взноса” на производство. Сейчас на рынке есть студенческие платы с FPGA стоимостью менее $100, поэтому студенту и университетам для экспериментирования больше не нужно выкладывать крупные суммы. Более того, он может неограниченно менять формируемую в FPGA электронную схему, просто меняя ее конфигурационную память через кабель, подсоединенный к компьютеру. По гибкости это похоже на программирование, хотя суть другая — в программировании меняется последовательность инструкций процессора (программа, software), а в FPGA можно изменить сам процессор (аппаратура, hardware).




Студент против Samsung-а

Хорошо, используя учебник Харрисов и плату с FPGA, студенты могут разрабатывать простые микропроцессоры и периферийные устройств. Но коммерческие системы на кристалле используют микропроцессорные блоки, разработанные в промышленности, лицензии на которые стоят сотни тысяч и миллионы долларов. Каким образом студенты могут получить доступ и экспериментировать с такими блоками, не заставляя университеты покупать коммерческие лицензии? Ответом стала инициатива компании Imagination под названием MIPSfpga, анонсированная этой весной, которая сразу получила замечательные отклики от президента Стэнфордского университета Джона Хеннесси, профессоров Imperial College London и старейшего в Японии университета Кэйо.

MIPSfpga — это бесплатный для университетов вариант микропроцессорного ядра MIPS microAptiv UP. Именно это ядро MIPS используется в новой платформе Samsung ARTIK 1, о которой компания Samsung объявила на последней конференции IOT World, которая прошла в Сан-Франциско. С внедрением MIPSfpga в университеты студенты могут не просто, как прежде, использовать готовые микросхемы типа ARTIK 1, но и получить доступ к исходным кодам (на языке описания аппаратуры Verilog) того же процессорного ядра, которое используется и самими инженерами Samsung-а в их продукте. Более того, после экспериментирования с MIPSfpga студенты теоретически могут привлечь деньги от венчурных капиталистов и сделать коммерческую микросхему, которая сможет конкурировать непосредственно против самого Samsung-а.

www.artik.io/hardware/artik-1

Миниатюрный (12 на 12 миллиметров) встроенный компьютер Samsung ARTIK 1 содержит микросхемы с двумя процессорными ядрами — MIPS microAptiv UP и UC, антенной и сенсором движения. Такое устройство можно использовать для “умных вещей” обменивающихся информацией с интернетом (именно так расшифровывается название конференции — The Internet of Things, “интернет вещей”).

MIPSfpga использует стандартную за последние 25 лет методологию описания и разработки цифровой электроники под названием Register Transfer Level (RTL, уровень регистровых передач). Согласно этой методологии, электронная схема описывается на специальном языке Verilog, после чего программа логического синтеза (logic synthesis) превращает описание в математический граф из проводов и логических элементов; другая программа (static timing analysis) сообщает разработчику, вписывается ли разработанная схема в бюджет скорости, а третья программа (place-and-route) раскладывает синтезированную конструкцию по площадке микросхемы.

Отлить в кремнии

FPGA — это хорошо, но может ли студент увидеть микросхему собственного проектирования, сделанную на фабрике? Согласно Дэвиду Харрису, “в США для таких нужд существует сервис MOSIS, а в Европе программа Europractice. MOSIS формирует так называемые Multi-Project Wafer (MPW) — форму заказа для мелкосерийного производства, когда на полупроводниковой пластине изготавливается одновременно несколько различных интегральных схем, разработанных командами из разных организаций. У MOSIS есть расписание, когда университеты могут присылать им “чертежи” (GDSII файлы) и они могут отправлять их на фабрики. Такое производство бесплатно для образовательных нужд и предоставляет очень привлекательные цены для исследовательских нужд. Это позволяет и студентам, и исследователям получать результаты своего труда в виде готовых микросхем”.




Теоретически, такой же сервис могло бы сделать и правительство России для зеленоградских фабрик Микрон и Ангстрем. Эти фабрики не такие передовые, как тайваньская TSMC — они используют подержанное оборудование, купленное у ST, AMD и IBM, способное производить только микросхемы на 90 нанометров. Но это не означает, что на этих фабриках нельзя производить передовые изделия. На этой технологии сделаны например популярные франко-итальянские микроконтроллеры STM32 на основе британского процессора ARM Cortex M4.

Более того, согласно Дэвиду Харрису, “Для целей обучения не нужно ничего передового. Транзистор — это всегда транзистор, что на 10 микрон (10 микрон или 10,000 нанометров — это технология, на которой был сделан первый в истории микропроцессор Intel 4004 в 1971 году), что на 90 нанометров, что на 10 нанометров.” Самая современная фабрика стоит 5-6 миллиардов долларов, фабрики в Зеленограде — 600 миллионов, но если задаться целью показать студентам, как производится транзистор, то университету достаточно купить за несколько миллионов лишнее оборудование с какой-нибудь древней фабрики, хотя после этого нужно платить за химикаты, оборудование для вентиляции и техники безопасности.”

С другой стороны, по мнению Дэвида Харриса, “я не думаю, что для хорошего проектировщика необходим непосредственный опыт на производстве. Хотя такой опыт — это, конечно, плюс.”

Советы для России

Несколько участников лос-анджелесского семинара по MIPSfpga, ответили и на вопросы, что можно сделать в России.
Джейсон Вонг, менеджер образовательных программ компании Xilinx, которая является лидером рынка FPGA, считает, что программа развития образования должна составляться с учетом культуры каждой страны: “мы не знаем, что будет работать в России, но можем сказать, что работало в других странах.”.

Его коллега по Xilinx, доктор Паримал Пател, разъяснил: “В Индии, как и в России, студенты хорошо образованы в математике и физике. Правительство выбрало несколько ведущих университетов, которые за несколько лет подготовили курсы для остальных. Через 5-6 лет система стала давать первые результаты.”

Джейсон Вонг добавил “Похожие меры были приняты и в Китае. При этом правительство требовало отчетности от вузов в форме пятилетних планов. Может быть, России стоит перенять пятилетки. Они были изобретены в России? (Смеется) Может быть”.

Профессор Даниэл Шавер (Daniel Chaver) из крупнейшего Мадридского университета Комплутенсе не видит нужды в специальных программах, с его точки расширение преподавания электроники — это чисто вопрос денег — от правительства или доходов от платного образования в университетах. В уже развившейся экосистеме Западной Европы приоритизация тех или иных направлений происходит естественно, по законам рынка доступных работ, способностей и желаний студентов.

Профессор Сара Харрис из Университета Невады в Лас-Вегасе, одна из разработчиц MIPSfpga и соавтор учебника электроники, считает, что государство должно дать профессорам возможность сами составлять программы обучения, но при этом программы должны быть привязаны к практике — студенты должны строить осязаемые вещи.

Профессор Дэвид Харрис колледжа Харви Мадд, соавтор учебника и MIPSfpga, в прошлом — один из разработчиков Intel Pentium и других чипов — подвел итог: “группы преподавателей, стремящаяся к совершенству, c относительно небольшим бюджетом могут подготовить молодых людей, которые станут будущими технологическими лидерами”.




— Если вам понравился мой текст, и при этом вы живете в Москве, вы можете примкнуть к развиртуализации всего через несколько дней. Авангардная группа развиртуализации (включая меня) встречается в 12 часов дня в воскресенье 25 октября, выход метро Смоленская синей ветки метро. После этого мы идем в 15.00 обедать в Жан-Жак на Никитском бульваре, чтобы перепозиционировать Жан-Жак из места встреч креативных гуманитариев в место встреч суровых читателей и читательниц моих постов на темы микроэлектронной промышленности.

Вот фотки из предыдущих развиртуализаций: