Представьте, что вы строите космический корабль. Он еще не взлетел, но любая ошибка в конструкции уже может стоить миллионы или даже сорвать всю миссию. В мире микроэлектроники ситуация похожа: перед тем как чип попадет на производство, его работу проверяют сотни раз, но не физически, а в цифровой вселенной моделирования. Этот этап называется функциональной верификацией, и без него современная электроника просто «не взлетит».
О том, как работает команда функциональной верификации, с каким задачи сталкиваются инженеры и почему эта область так важна, рассказывает Дмитрий Кишко, руководитель группы функциональной верификации в YADRO.
- как функциональная верификация помогает предотвратить критические ошибки в проекте
- чем отличаются разные виды верификации — модульная, функциональная и системная
- как устроена работа внутри проекта СнК
- где можно получить практический опыт и как попасть в индустрию через стажировки и хакатоны
Что такое функциональная верификация и чем она отличается от тестирования
Часто функциональную верификацию путают с тестированием, но между ними есть разница.
«Формально верификация — это процесс проверки, соответствует ли система заданным требованиям. Тестирование в этом контексте — всего лишь один из инструментов, который помогает провести такую проверку. Мы разрабатываем тесты, запускаем их, анализируем результаты — все это, безусловно, часть верификации, но далеко не вся ее суть».
На практике верификация охватывает куда больше: разработку стратегии, планирование, выбор методов и подходов, определение уровней и этапов тестирования, построение так называемой пирамиды тестирования и многое другое. Это комплексная, системная работа, направленная на то, чтобы обеспечить качество продукта на всех этапах его создания.
Разница между тестированием и верификацией особенно заметна в области аппаратной разработки, например при проектировании микросхем. Здесь верификация — это уже полноценная инженерная дисциплина со своими методологиями, инструментами и практиками. Она охватывает весь цикл проверки корректности проекта и выходит далеко за рамки простого написания и запуска тестов.
Продукты YADRO — серверы и системы хранения данных, сетевое и телеком-оборудование, клиентские устройства — проходят весь цикл создания — от идеи до воплощения и выхода на рынок.
И некоторые системы не только тестируются, но и верифицируются. Важную роль здесь играет команда функциональных верификаторов, которая разрабатывает решения для внутренних проектов компании, поддерживая технологическое развитие
Если тестировщик обычно проверяет уже существующий продукт, то верификатор подключается к проекту еще на стадии его создания. Чтобы предсказать и предотвратить возможные ошибки еще до того, как продукт попадет в производство.
Функциональная верификация — это лишь один из видов верификации. На практике ее обычно дополняют модульной и системной верификацией. Такое разделение помогает выстраивать более понятную и логичную структуру проверки.
«Функциональная верификация фокусируется на проверке соответствия функциональным требованиям, которые описывают, что должно делать устройство или система. В рамках модульной верификации мы, как правило, проверяем отдельные блоки (или модули) на соответствие базовым требованиям, описанным в спецификации.
А на уровне системной верификации мы уже переходим к более сложным сценариям: проверяем, как вся система работает целиком, как взаимодействуют между собой модули, реализуются ли полнофункциональные системные сценарии".
Такой подход — с четкой декомпозицией уровней верификации — критически важен. Проверка только на одном уровне не дает гарантии, что система в целом будет работать корректно. Только пройдя каждый из этапов, можно уверенно говорить о ее надежности и соответствии требованиям.
Как работает команда функциональной верификации
Проектирование систем на кристалле (СнК) — это сложный процесс, включающий в себя работу множества команд. В YADRO этим занимается порядка 20−30 коллективов, каждый из которых отвечает за отдельные аспекты: от физического дизайна до логики работы компонентов. Кто участвует в разработке СнК, мы уже писали ранее.
«Мы создаем различные тестовые сценарии на ранних этапах разработки, чтобы убедиться, что все требования к системе строго соблюдены. Это критически важно, так как гарантирует, что после производства все будет работать без сбоев.
Допустим, мы запускаем проверку вычислительного кластера. В его основе — процессор, спроектированный на архитектуре RISC-V. После того как кристалл собран из множества отдельных компонентов, необходимо протестировать его работу в реальных сценариях.
Один из таких тестов — проверка производительности. Мы запускаем вычислительные задачи и анализируем:
- Какую производительность удается достичь непосредственно в чипе?
- Сколько энергии потребляет система при таких нагрузках?
Такие тесты позволяют оценить эффективность работы вычислительного кластера и выявить возможные узкие места. Например, низкую пропускную способность между вычислительным ядром, интерконнектом и подсистемой памяти.
Без верификации вероятность ошибок очень высока, и это может привести к некорректной работе оборудования. Поэтому задача инженеров-верификаторов — тщательно изучать документацию, разрабатывать тестовые сценарии и подтверждать, что аппаратура соответствует заявленным характеристикам и функционирует так, как задумано.
«Время, необходимое для прохождения жизненного цикла СнК, зависит от команды и применяемых технологий. В индустрии считается, что эффективная работа означает выпуск нового тейп-аута (tape-out) раз в полгода. Это говорит о том, что процессы налажены и команда работает с высокой скоростью.
Однако сроки могут значительно варьироваться. Если проект строится на полностью собственных разработках без использования сторонних решений, цикл разработки может растягиваться до трех лет. Все определяется стратегией компании: в одних случаях обновления происходят каждые шесть месяцев, в других — раз в несколько лет".
Работа специалистов по верификации требует не только глубоких знаний в области программирования, но и понимания принципов работы аппаратного обеспечения. Инженеры-верификаторы разрабатывают автоматизированные тесты, которые проверяют корректность работы различных компонентов — например, контроллеров памяти или модулей обработки сигналов.
Ошибки на этапе проектирования могут стоить компании миллионов долларов, поэтому инженеры по верификации активно работают с архитектурой разрабатываемых решений, проверяя их на соответствие техническому заданию.
«В основном мы пишем тесты на языке C, но иногда прибегаем к C++ — для специализированных тестов, программ по производительности и других задач.
До этапа изготовления микросхемы можно вносить любые изменения, главное — укладываться в подчас жесткие сроки. Дата отправки на фабрику фиксирована, и сдвигать ее нельзя. Поэтому важно четко понимать, что именно мы делаем, как это реализуем и какие задачи имеют наивысший приоритет".
Как строится работа внутри команды
Функциональная верификация как часть разработки СнК — это командная работа. В процессе проектирования микроэлектроники задействованы различные специалисты: системные программисты, разработчики, инженеры по верификации, инженеры-топологи, RTL-дизайнеры. Все они должны работать синхронно, чтобы обеспечить качество конечного продукта.
«Без синергии между командами невозможно создать хороший продукт. Мы должны понимать логику коллег, а они — наши требования. В этом смысле наша общая работа похожа на оркестр, где каждый играет свою партию, но вместе создается гармоничное звучание.
Процесс верификации чипов в крупных компаниях — это сложная координация работы примерно 30 команд. У каждого инженера есть связи с несколькими командами, и его работа во многом определяется тем, выполнили ли коллеги свою часть работы.
Инженеру-верификатору важно наладить эффективное взаимодействие со смежными командами, чтобы процесс не замедлялся и верификация не становилась «бутылочным горлышком»".
Инженеры из отдела функциональной верификации отвечают за моделирование работы системы и анализ результатов. Использование инструментов и методов автоматизированного тестирования позволяет значительно сократить время на выявление возможных проблем.
«Мы используем автоматизированную генерацию тестов для адресного пространства и вычислительного кластера, в том числе на основе конфигурационных файлов формата SystemRDL. В документации заранее определены адресное пространство и регистры. Мы автоматически считываем эти данные, формируем тесты и используем их для проверки. Такой подход позволяет избежать ручного написания тестов: однажды созданная автоматизация регулярно запускает проверки при каждом новом обновлении системы».
Прежде чем чип отправится в производство, инженеры-верификаторы должны убедиться, что он работает без ошибок. Для этого тестируются как аппаратные, так и программные компоненты на разных уровнях.
«Верификация — это проверка аппаратуры, чипов, кристаллов. Без понимания того, как они работают, двигаться дальше невозможно. Можно написать программу, но, если не осознавать, что именно она делает, как она взаимодействует с железом и как определить, корректно ли она функционирует, работа теряет смысл».
Уровни, на которых может работать инженер по верификации СнК:
- Юнит-верификация — тестирование аппаратуры с использованием языков описания цифровой аппаратуры, например SystemVerilog.
- Функциональная верификация — проверка системы с использованием программ, написанных на низкоуровневых языках программирования, например С, aas.
- Системная верификация — проверка работы СнК на уровне целевой ОС.
Вся эта работа проводится до выпуска чипа. На каждом этапе используются разные инструменты, но цель одна — убедиться, что все функционирует как надо. В конечном счете, задача верификаторов — проверить работоспособность системы во всех сценариях.
Как попасть в команду верификации
В области функциональной верификации дефицит квалифицированных кадров. Поэтому компания YADRO активно развивает образовательные инициативы: создает курсы и предлагает стажировки для студентов технических вузов.
«Я окончил Московский авиационный институт, факультет радиоэлектроники летательных аппаратов. По специальности я инженер, занимающийся проектированием радиосистем, и долгое время работал в этой области — программировал и разрабатывал радиосистемы.
Последние пять лет я перешел в сферу управления командами, став тимлидом. Понял, что мне это интересно, прошел собеседование и присоединился к команде. Сейчас занимаюсь микроэлектроникой — сложной, но невероятно увлекательной сферой, которая меня действительно вдохновляет".
Если вы студент и хотите развиваться в микроэлектронике, лучший способ — присоединиться к образовательным программам. Каждый год YADRO организовывает или поддерживает инициативы, где можно получить знания и познакомиться с экспертами, задать им вопросы и, возможно, найти свою первую работу".
Вот несколько вариантов, где можно погрузиться в верификацию систем на кристалле (СнК):
- Практические курсы YADRO — проходят раз в год, один из них посвящен верификации СнК, подробнее здесь.
- Образовательные программы в вузах — например, совместная магистратура по микроэлектронике от YADRO МИЭТ. Мы уже писали о том, как за два года ребята проходят полноценный маршрут проектирования системы на кристалле — от спецификации до топологии.
- Стажировка «Импульс» — еще один путь для студентов и молодых специалистов войти в сферу. В 2024 году студенты могли выбрать стажировку по более чем 60 направлениям: от разработки микропроцессоров до бухгалтерии. Участники не только решали реальные задачи, но и знакомились с инженерной культурой компании, а полученным опытом уже делились здесь.
- Инженерный хакатон по разработке микропроцессоров — SoC Design Challenge. Один из его треков посвящен системной верификации. Как проходит хакатон — узнаете из статьи от студентов (ныне — сотрудников YADRO), победивших в хакатоне 2024 года.
- Школа синтеза цифровых схем — это образовательная программа, где студенты осваивают основы разработки цифровых микросхем и изучают перспективные направления в индустрии цифрового дизайна. Учебная программа, основанная на курсе Массачусетского технологического института (MIT), включает изучение компьютерной архитектуры, микроархитектуры процессорных ядер и освоение профессиональных средств проектирования серийных микросхем ASIC.
Какие hard skills важны
Функциональная верификация может быть интересна тем, кто увлекается архитектурой современных компьютеров, микроэлектроникой и хочет глубже разобраться в том, как устроены процессоры и системы на кристалле (СнК). Особенно хорошо в эту сферу вписываются специалисты с образованием в области микроэлектроники, электроники или радиотехники.
Студенты, заинтересованные в этом направлении, обычно начинают с изучения базовых курсов, читают специализированные материалы, слушают подкасты и знакомятся с архитектурами процессоров. Затем приходят на стажировки, где узнают больше о реальных задачах функциональной верификации и ее роли в разработке микроэлектронных систем. Ниже — несколько навыков, которые важны для этой профессии:
- Языки программирования — владение хотя бы одним языком, используемым в сфере (например SystemVerilog, C, Python).
- Понимание микроэлектроники и процессорной техники — знание архитектур процессоров, принципов их работы.
- Цифровой дизайн — основы проектирования цифровых схем: триггеры, регистры, шины данных.
- Знание процессов производства микросхем — понимание их типов и методов изготовления.
- Системы контроля версий и CI/CD — базовые навыки работы с Git и автоматизированными инструментами тестирования.
«Дополнительным плюсом будет опыт программирования микроконтроллеров и взаимодействия с „железом“. Например, программисты, которые занимаются встраиваемыми системами (embedded systems), часто переходят в функциональную верификацию СнК, поскольку задачи в этих областях схожи. Разница лишь в том, что здесь код создается не для конечного продукта, а для обеспечения качества внутренних разработок».
Функциональная верификация — это не только программирование, но и работа с аппаратными компонентами, что делает ее особенно привлекательной для тех, кто любит сочетание софта и железа.
«Для меня самая большая мотивация — видеть, как наши усилия превращаются в реальные, работающие устройства. Мы решаем сложные задачи, и это вдохновляет».
