Éledezik a magyar chiptervezés

Szinte épp 36 éve vált a tűz martalékává a magyar chiptervezés és -gyártás első mérföldkövének számító Mikroelektronikai Vállalat újpesti épületegyüttese. Az egykori ambiciózus tervek szerint a MEV-vel a 90-es évek elejére mikroelektronikai nagyhatalommá nőtte volna ki magát Magyarország. A hivatalos jelentések szerint a tüzet műszaki hiba okozta, ám már akkor is voltak, illetve azóta is élnek olyan pletykák, melyek szerint az egyik nagyhatalom szabotázsa döntötte romba a sarjadzó magyar mikrochipgyártást. Egyesek a szovjetek, mások pedig az amerikaiak beavatkozását vélik látni a végzetes tűzeset mögött, de olyan verzióról is lehet olvasni, ami szerint egyszerű biztosítási csalás áldozata lett a Fóti úti üzem.

A tűzeset okát tehát máig többen vitatják, akárcsak azt, hogy végül sikerült-e volna elérni a kitűzött célokat. Az 1986-os megsemmisüléséig a Mikroelektronikai Vállalat leginkább csak a nyugati chipeket igyekezett visszafejteni, azaz lemásolni, így biztosítva a vasfüggöny mögé szorult ország szórakoztató elektronikai és számítástechnikai chipellátását. Tőlünk keletebbre még ma is szorgosan alkalmaznak ilyen módszereket, amire jó néhány éve Kína nyújtja a legjobb példát, a nagyhatalom ugyanis szinte bármi áron szabadulna az erősen amerikai befolyású félvezetőipar szorításából.

Az RTL Klub XXI. század című műsora egy teljes adást szentelt a történetnek (fentebb megtekinthető), melyben egykor ott dolgozó szakembereket és vezetőket is megszólaltattak. Számos, az üggyel kapcsolatos elméletet cáfoltak, illetve az is szóba került, hogy mekkora reális esélye lett volna Magyarországnak a chipgyártásban.

A MEV-vel együtt évtizedekre füstbe mentek a magyar chipipar szép reményei is. Ma már kijelenthető, hogy gyártásban jó eséllyel többet nem leszünk versenyképesek, hisz mára a chiptermeléshez szükséges technológia kifejlesztése, valamint az azt alkalmazó üzemek felépítése egyaránt többmilliárdos befektetést kívánnak, természetesen amerikai dollárban számolva. A szakemberek és a megfelelő infrastruktúra hiánya miatt jelenleg arra sincs reális esély, hogy valamely neves bérgyártó hazánkat választaná egyik következő új üzemének helyszínéül, szemben valamely nyugat-európai országgal.

Új remény

A gyártással szemben nagyságrendekkel kisebb befektetést kíván a chiptervezés, amellyel ennek ellenére átütő technológiai és gazdasági sikereket lehet elérni. Az ipar legismertebb, saját gyártósorokkal nem rendelkező (ún. fabless) szereplőit vélhetően keveseknek kell bemutatni, mivel az Nvidia és az AMD mellett többek között a Qualcomm is ide sorolható. Ezek a cégek kizárólag a különféle komplexebb áramkörök, jellemzően CPU-k és GPU-k tervezésével és fejlesztésével foglalkoznak, a hatalmas tőkeberuházás, ezzel pedig nagy kockázatot hordozó gyártást valamely erre szakosodott szereplőre, a TSMC-re vagy a Samsungra bízzák.

A legnagyobb chiptervezők neveivel szemben vélhetően sokkal kevesebben tudják, hogy néhány éve ismét van olyan magyar alapítású és központú cég, amelynek főtevékenységei között szerepel a logikai áramkörök tervezése. Az autóvezetést segítő és önvezető rendszerek fejlesztésével foglalkozó aiMotive a meghatározó szoftveres megoldásaihoz saját gyorsítóchipet is tervez, Budapesten. Az elmúlt években nagyot emelkedett a különféle gépi tanulásos rendszerek népszerűsége, amelyekhez így egyre több dedikált áramkört és/vagy chipet készítenek. Ezeknek hála a speciális matematikai műveletek végrehajtása akár nagyságrendekkel gyorsabban is megtörténhet, amely nem csak a számítási teljesítmény, hanem a hatékonyság szempontjából is meghatározó. Utóbbi különösen fontos az elektromos autózás egyre táguló világában, hisz akár több kilométernyi hatótáv is megtakarítható a jármű működéséhez szükséges chipek alacsonyabb energiafogyasztásával.

Az aiMotive többek között ezért is vágta a fejszéjét egy idehaza igencsak ritka projektbe, az alkalmazási területhez optimalizált ASIC (alkalmazásspecifikus integrált áramkör) tervezésével ugyanis több szempontból is jelentős előnyre lehet szert tenni. Az aiWare névre hallgató NPU-t (neural processing unit) a neurális hálóban található műveletek gyorsítására hegyezik ki, melynek hála a gépjárművek kameráiból megszakítás nélkül befolyó nagy mennyiségű videó- vagy egyéb szenzor-adatot a lehető leggyorsabban képes feldolgozni a fedélzeti számítógép. Az aiMotive budapesti irodájában készülő aiWare jóformán bármilyen rendszerchipbe integrálható, amelyre jó példa a Nextchip Apache ADAS termékcsaládja. A dél-koreai chiptervező fejlett vezetéssegítő rendszerekhez specializált SoC-jébe építette az aiWare-t, a több részegységet felölelő komplett rendszerchipet pedig a Samsung "önti" szilíciumba.

Tervezz processzort Budapesten!

Az aiWare NPU tervei tehát Budapesten, az aiMotive II. kerületi irodájában készülnek. A processzordizájnra szakosodott mérnökök a piaci igényeket szem előtt tartva meghatározzák a célokat, specifikálják az architektúrát, végül pedig létrehozzák az azt megvalósító logikai áramkör tervét. Mindez azonban csak a rendkívül komplex folyamat kisebbik, nagyjából egyharmad részét jelenti. A munka oroszlánrészét jelentő mintegy kétharmadnyi erőforrást az úgynevezett RTL funkcionális verifikáció, vagyis a megálmodott és leírt processzordizájn részletes és szisztematikus ellenőrzése emészti fel.

A verifikáció egyik célja a tervekben rejlő különféle hibák feltárása, amelyhez az aiMotive szakemberei speciális, egyedileg összeállított tesztkörnyezetet használnak. Ilyen folyamatot kivétel nélkül az összes chipervező és gyártó alkalmaz, az Inteltől egészen az Apple-ig, hisz szélsőséges esetben elég egyetlen kritikus hiba, hogy az adott processzordizájn sok száz millió (vagy akár milliárd) dolláros kárt okozzon egy vállalatnak. Bár a processzorok mintegy természetes velejárója az úgynevezett erratum (tsz.: errata), mely a tervezésből eredő különféle hibákat takarja, a chiptörténelem több olyan esetről is beszámol, amely derült égből villámcsapásként érte a tervezőgárdát.

Az egyik ismertebb példát épp az Intel szolgáltatta még 1994-ben. Az FDIV-ként elhíresült osztási anomáliát az első szériás Pentium processzorban találta egy prímszámokat kutató szakember, Thomas Nicely matematikus. A központi egységek első változatai bizonyos lebegőpontos (FDIV) osztási műveleteknél hibás eredményt adtak, és noha a vállalat váltig állította, hogy a hétköznapi vásárlókat a probléma nem érinti, a média annyira felkapta az esetet, hogy közfelháborodás miatt végül minden érintett chipet ki kellett cserélni. Az eset közel 30 éve mintegy 475 millió dollárjába került az Intelnek, amely végül kénytelen volt újratervezni processzorát.

Bár az egyes nagy visszhangot keltett chiphibák is hozzájárultak az RTL funkcionális verifikáció elterjedéséhez és fejlődéséhez, manapság már sokkal inkább a kiadások és a fejlesztési idő csökkentése jelenti a terület fejlődésének első számú mozgatórugóját. A chiptervezés és gyártás költségei az elmúlt bő tíz évben extrém mértékben nőttek. A nagy chiptervezők ezért éves szinten már akár milliárd dolláros tételeket is megtakaríthatnak egy jól működő verifikációs rendszerrel, miközben az új chipek megjelenése akár egy-másfél évvel is csökkenhet, ami a piacon uralkodó versenyhelyzetben ugyancsak jelentős anyagi vonzatot jelent.

Nem csoda, hogy az aiMotive is nagy figyelmet fordít az RTL funkcionális verifikációjára. A cég budapesti irodájában a tervezést és a verifikációt végző csapat nap mint nap azért ping-pongozik egymással, hogy az aiWare NPU terveit a lehető legjobb minőségben, nem utolsó sorban pedig minél hamarabb véglegesíteni tudják.

Ehhez az aiMotive szakemberei egy virtuális tesztkörnyezetet építettek ki, mellyel a chiptervezők által leírt logikai áramkört modellezik és szimulálják különféle formában. A folyamat egy érdekes kihívása, hogy a hardver leíró nyelvek alacsony szintű párhuzamos végrehajtását ötvözni kell a magasabb szintű objektumorientált módszerrel létrehozott tesztkörnyezettel. A chip belső elemeinek jelszintű kommunikációjából olyan absztrakciókat képeznek le, amiket később magasabb szinten is leellenőriz a csapat.

A folyamat speciális tudást és kreativitást egyaránt igényel. Előbbit a hazai felsőoktatásban nem tanítják, így a szakemberek többsége számára ez egy új terület, melynek fortélyait részben autodidakta módon lehet elsajátítani. A népszerű programnyelvekben való kódoláshoz képest némileg eltérő gondolkozásra van szükség, hisz ebben az esetben minden lekódolt logikai művelet mögött az annak megfelelő hardverelemek generálódnak.

Az RTL verifikációhoz alkalmazott SystemVerilog szintaktikailag nagyrészt a C++-ra épül, ám ennek ellenére nem feltétlenül szükséges a programnyelv ismerete. Természetesen előny, ha valaki ismeri a szoftverfejlesztés és a hardveres világ alapjait (akárcsak az objektumorientált programozást), a tesztkörnyezet nyelvezete ugyanis a meghajtóprogramokéhoz (driverek) áll a legközelebb.

A mindennapi munka során a szakemberek az UVM (Universal Verification Methodology) metodikát, illetve szabványt alkalmazzák. Ez röviden arról szól, hogy a dizájn egyes változásait, valamint a jövőbeli fejlesztéseket könnyen és gyorsan le tudja követni a verifikációs környezet. Miután valaki megismerkedett a verifikáció alapjaival, majd elkezdi gyakorlatban is alkalmazni a metodikát, csupán idő kérdése, hogy kialakuljon benne az úgynevezett verifikációs látásmód, amely szerint sosem abban kell gondolkozni, hogy miként lehet kivitelezni valamit, hanem hogyan kell viselkednie a komplett rendszernek, illetve hogyan lehetne “elrontani” annak működését.

Bár a magyar chiptervezés több évtizedes szünete miatt idehaza jelenleg mindössze néhány tucatnyian foglalkoznak a területtel, a hazai szakemberek munkáját nemzetközi szinten is magasan elismerik. Az aiMotive verifikációs csapatánál ezt mi sem bizonyítja jobban, hogy az eddig elkészült dizájnok kivétel nélkül az ütemtervet befolyásoló hiba nélkül kerültek gyártásba, határidőre.

Az iparágban kifejezetten ritkának számító sikeresség hátterében elsősorban a teljes aiMotive-ra jellemző szokatlanul magas szabadságfok áll. Az RTL funkcionális verifikációt végző csapat ugyanis az évek során már számos egyedi tesztelési megoldást és folyamatot dolgozott ki a budapesti irodában, melyeknek hála a globális iparágat tekintve is kivételesen magas hatékonyságot sikerült elérni. A tervezőcsapatban uralkodó nyitott és emberközeli szemléletnek hála a szakemberek nap mint nap új kihívásokat megoldva kamatoztathatják kreativitásukat, melynek köszönhetően folyamatosan épül és finomodik az alkalmazott metodológia.

Utóbbira szükség is van, hisz a chiptervezéssel foglalkozó cégek döntő többségével szemben az aiMotive-nál a mérnökök egy komplett és teljesen egyedi alkalmazásspecifikus integrált áramkörön dolgoznak, melynek hatalmas állapotterét a legszofisztikáltabb megoldásokkal is csak óriási verifikációs kódbázissal lehet elégségesen lefedni. Ezért is fontos, hogy a funkcionális verifikációt a lehető legnagyobb hatékonysággal végezze a mérnökcsapat, amely ehhez a piacon elérhető legmodernebb eszközöket és eljárásokat alkalmazza, sokszor több lépéssel a nagy és ismert multinacionális chiptervezők előtt járva.

A magas hazai kompetencia és a folyamatosan növekvő piaci igények ellenére az utánpótlás nevelés azonban továbbra sem megfelelő szintű. Emiatt már idehaza is magas a kereslet a terület iránt érdeklődőkre, ami többek között a kiemelkedő bérezésben is tükröződik. Amennyiben érdekelnek a chiptervezés rejtelmei és szívesen dolgoznál egy olyan izgalmas kihívást jelentő és folyamatosan fejlődő, idehaza ritkának számító területen, ami a jövő mobilitását formálja miközben a munkád gyümölcse idővel az önvezető autókban is megjelenik, akkor érdemes átnézni az aiMotive verifikációs mérnöki pozícióit (Junior Design Verification Engineer, Design Verification Engineer trainee, Design Verification Engineer). Az aiMotive az esetleges átképzéshez, fejlődéshez minden segítséget és támogatást biztosít.

[Az aiMotive megbízásából készített, fizetett anyag.]