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オンチップSRAM:チップ自身のメモリに保存された呼吸する光
English
Youblob (simulation output) · CC0
Ed

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Ed

29. 9月 2026FI
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オンチップSRAM:チップ自身のメモリに保存された呼吸する光

wafer.spaceのテンプレートには、そのサンプル設計に512バイトのマクロが2つ含まれており、どちらも無効のままになっています。マクロとは、PDKの完成済みのメモリブロックのことで、4,096個のスタティックメモリセルからなり、アドレスデコーダと読み出し回路を含めて一度に設計されたものを、ゲートから組み立てる代わりに丸ごと配置できます。 この段階では、そのうちの1つを有効にします。前の段階のPWMディマーは、ここでパターンを再生するようになります。マイクロコントローラがパッドを通じて256バイトをチップに一度書き込むと、以降はチップが自ら一度に1バイトずつそれらを読み出し、ゆっくり呼吸するように明るさを変化させる光の輝度として出力します。 このブループリント用に、コアとそのテストベンチは、Icarus Verilog 12.0、cocotb 2.1.0、およびPDKが提供するSRAMマクロ自身のシミュレーションモデルを用いて実行されました。出力は、保存されたテーブルに従い、600PWM周期にわたって追従しました。図は、そのシミュレーション自身の出力であり、1周期につき1本のバーで示しています。テーブルを読み込むESP32スケッチは、このブループリント用にコンパイル済みですが、実行できる実チップはまだありません。
上級者
ある夜、そしてチップ

手順

1

パターン、タイミング、サイズ

Jupyter ノートブックを読み込み中…
2

4,096ビットそれぞれが何であるか

埋め込まれた設計図は、1ビットのスタティックメモリが二つのインバータのループによって自身の状態を保持する仕組みを示しています。このラング(段)のマクロは、1つのアレイに配置された4,096ビットのスタティックメモリです。
3

マクロのピンと、そのモデルが示す3つのこと

gf180mcu_fd_ip_sram__sram512x8m8wm1 は512バイトを保持します。そのピンは次のとおりです: CLK; A は9ビットのアドレス; D は書き込むバイト; Q は読み出されたバイト。3つの制御信号はすべてアクティブLOWです。CEN が0のとき、メモリの電源が入ります。GWEN が0のとき、クロックエッジは書き込みになり、1のときは読み出しになります。WEN はデータビットごとに1ビットあり、0のとき対応するビットの書き込みが許可されるため、書き込みではバイトの一部のビットだけを変更し、残りはそのままにできます。 PDK のシミュレーションモデルを読むと、知っておく価値のある3つのことがわかります。第一に、メモリは CEN が1から0に変化した後にのみ動作します。そうでない場合、モデルは "CEN is not reset, memory is not operational" と表示するため、コアはリセット中 CEN を1に保持し、その後に下げます。第二に、読み出しは A をサンプリングしたクロックエッジの直後に mem[A] を Q に出力するため、データは1クロック後に準備完了になります。第三に、モデルはすべてのバイトが0の状態で始まります。実際のチップはそうではなく、その SRAM は電源投入時に各セルが落ち着いた値を保持するため、設計は読み出す前に必ず書き込まなければなりません。 テンプレートの例では CEN を1に接続しているため、2つのマクロは無効化された状態です。そのタイミングファイルでは、マクロの最小クロック周期は標準的な5 Vコーナーで6.6 ns、低速な3.0 V・125 °Cコーナーで18.3 nsとされており、どちらもテンプレートの40 nsに十分収まっています。
4

The core

src/chip_core.sv for the pattern player, with the template's port list unchanged plus one parameter, HOLD_LOG2. Input pad 0 enables, pad 1 selects LOAD mode, pad 2 is the write strobe; bidirectional pads 0 to 7 carry the byte, pad 8 the PWM. The LOAD and strobe pads are passed through two flip-flops before use, a synchroniser: they change whenever the outside world likes, not in step with the chip's clock, and a flip-flop caught mid-change can hover between 0 and 1 for a while. In play mode, each time HOLD_LOG2 periods have passed, the byte the SRAM has been reading becomes the new duty and the address moves on.
chip_core.svsystemverilog
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
// Youblob silicon rung 5: the PWM dimmer plays a brightness pattern stored in the on-chip SRAM macro.
// Port list unchanged from wafer-space/gf180mcu-project-template src/chip_core.sv.

`default_nettype none

module chip_core #(
    parameter NUM_INPUT_PADS,
    parameter NUM_BIDIR_PADS,
    parameter NUM_ANALOG_PADS,
    parameter HOLD_LOG2 = 9        // each table entry lasts 2**HOLD_LOG2 PWM periods
    )(
    `ifdef USE_POWER_PINS
    inout  wire VDD,
    inout  wire VSS,
    `endif

    input  wire clk,       // clock
    input  wire rst_n,     // reset (active low)

    input  wire [NUM_INPUT_PADS-1:0] input_in,   // Input value
    output wire [NUM_INPUT_PADS-1:0] input_pu,   // Pull-up
    output wire [NUM_INPUT_PADS-1:0] input_pd,   // Pull-down

    input  wire [NUM_BIDIR_PADS-1:0] bidir_in,   // Input value
    output wire [NUM_BIDIR_PADS-1:0] bidir_out,  // Output value
    output wire [NUM_BIDIR_PADS-1:0] bidir_oe,   // Output enable
    output wire [NUM_BIDIR_PADS-1:0] bidir_cs,   // Input type (0=CMOS Buffer, 1=Schmitt Trigger)
    output wire [NUM_BIDIR_PADS-1:0] bidir_sl,   // Slew rate (0=fast, 1=slow)
    output wire [NUM_BIDIR_PADS-1:0] bidir_ie,   // Input enable
    output wire [NUM_BIDIR_PADS-1:0] bidir_pu,   // Pull-up
    output wire [NUM_BIDIR_PADS-1:0] bidir_pd,   // Pull-down

    inout  wire [NUM_ANALOG_PADS-1:0] analog  // Analog
);

    // Input pad 0: enable.  Input pad 1: LOAD mode.  Input pad 2: write strobe.
    // Bidir pads 0..7: the byte to store while loading.  Bidir pad 8: the PWM output.
    localparam DUTY_W = 8;
    localparam PWM_PAD = 8;

    assign input_pu = '0;
    assign input_pd = '0;
    assign bidir_oe = {{(NUM_BIDIR_PADS-DUTY_W){1'b1}}, {DUTY_W{1'b0}}};
    assign bidir_ie = ~bidir_oe;
    assign bidir_cs = {{(NUM_BIDIR_PADS-DUTY_W){1'b0}}, {DUTY_W{1'b1}}};
    assign bidir_sl = '0;
    assign bidir_pu = '0;
    assign bidir_pd = '0;

    wire enable = input_in[0];
    wire [DUTY_W-1:0] data_in = bidir_in[DUTY_W-1:0];

    // The mode and strobe pads change whenever the outside world likes, not in step with clk:
    // two flip-flops in a row (a synchroniser) before anything uses them.
    logic [1:0] load_s;
    logic [2:0] strobe_s;
    always_ff @(posedge clk) begin
        load_s   <= {load_s[0], input_in[1]};
        strobe_s <= {strobe_s[1:0], input_in[2]};
    end
    logic load_was;
    wire load        = load_s[1];
    wire load_start  = load & ~load_was;
    wire strobe_rise = strobe_s[1] & ~strobe_s[2];
    always_ff @(posedge clk) load_was <= load;

    // The SRAM wants its chip enable (CEN, active LOW) to go 1 -> 0 before it works:
    // hold it at 1 through reset, then 0.
    logic cen;
    always_ff @(posedge clk) cen <= !rst_n;

    // PWM counter and the "hold" counter that decides when to step to the next table entry.
    logic [DUTY_W-1:0] count;
    logic [HOLD_LOG2:0] hold;                   // one bit wider so HOLD_LOG2 = 0 still works
    wire period_end = (count == '1);
    localparam logic [HOLD_LOG2:0] HOLD_MASK = (1 << HOLD_LOG2) - 1;   // 0 when HOLD_LOG2 = 0
    wire step = period_end && ((hold & HOLD_MASK) == HOLD_MASK);

    logic [DUTY_W-1:0] addr;
    logic [DUTY_W-1:0] duty;
    wire  [DUTY_W-1:0] q;                       // SRAM read data: mem[addr], one clock after addr

    always_ff @(posedge clk) begin
        if (!rst_n) begin
            count <= '0;  hold <= '0;  addr <= '0;  duty <= '0;
        end else if (load) begin
            count <= '0;  hold <= '0;  duty <= '0;
            if (load_start)       addr <= '0;       // every load starts at entry 0
            else if (strobe_rise) addr <= addr + 1'b1;
        end else if (enable) begin
            count <= count + 1'b1;
            if (period_end) hold <= hold + 1'b1;
            if (step) begin
                duty <= q;                          // the entry that was being read
                addr <= addr + 1'b1;                // and move on to the next
            end
        end
    end

    `gf180mcu_xxx_ip_sram__sram512x8m8wm1 sram_0 (
        `ifdef USE_POWER_PINS
        .VDD  (VDD),
        .VSS  (VSS),
        `endif
        .CLK  (clk),
        .CEN  (cen),                                   // active low: 0 = on
        .GWEN (~(load && strobe_rise)),                // active low: 0 = write this clock
        .WEN  (8'b0),                                  // active low, per bit: write all eight
        .A    ({1'b0, addr}),                          // 256 of the 512 bytes
        .D    (data_in),
        .Q    (q)
    );

    logic pwm;
    always_ff @(posedge clk) begin
        if (!rst_n) pwm <= 1'b0;
        else        pwm <= enable && !load && (count < duty);
    end

    logic [NUM_BIDIR_PADS-1:0] out;
    always_comb begin
        out = '0;
        out[PWM_PAD] = pwm;
    end
    assign bidir_out = out;

    // Inputs this design does not read (keeps lint quiet, as the template does with _unused).
    logic _unused;
    assign _unused = &{1'b0, input_in[NUM_INPUT_PADS-1:3], bidir_in[NUM_BIDIR_PADS-1:DUTY_W], hold[HOLD_LOG2]};

endmodule

`default_nettype wire

必要な工具:

デスクトップパソコンデスクトップパソコン
5

The test

test_pattern.py builds the core with the PDK's SRAM model, gf180mcu_fd_ip_sram__sram512x8m8wm1.v, at the template's 25 MHz and with HOLD_LOG2 = 0 so the whole table plays in 256 periods. It loads the table through the pads the way the ESP32 will, then counts the high clocks in each of 600 PWM periods and requires them to follow the table from exactly one starting point. A second test loads again and checks the new pattern replaced the old.
test_pattern.pypython
# SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
# cocotb testbench for the SRAM pattern player, with the PDK's own SRAM simulation model
# (gf180mcu_fd_ip_sram__sram512x8m8wm1, gf180mcuD, the commit the template pins).
import math
import os
from pathlib import Path

import cocotb
from cocotb.clock import Clock
from cocotb.triggers import ClockCycles, FallingEdge, RisingEdge
from cocotb_tools.runner import get_runner

PWM_PAD = 8
EN, LOAD, STROBE = 1, 2, 4                      # input pad bits
SRAM = Path(os.getenv("PDK_ROOT", "pdk")) / "gf180mcuD" / "libs.ref" / "gf180mcu_fd_ip_sram" / "verilog"


def breathing_table(n=256, gamma=2.2):
    """One slow breath: a raised sine, gamma-corrected so equal steps LOOK equal to the eye."""
    return [round(255 * ((1 - math.cos(2 * math.pi * i / n)) / 2) ** gamma) for i in range(n)]


async def start(dut):
    cocotb.start_soon(Clock(dut.clk, 40, unit="ns").start())   # 25 MHz, the template's CLOCK_PERIOD
    dut.input_in.value = 0
    dut.bidir_in.value = 0
    dut.rst_n.value = 0
    await ClockCycles(dut.clk, 5)
    dut.rst_n.value = 1
    await ClockCycles(dut.clk, 2)


async def load(dut, table):
    """What a microcontroller on the breakout does: LOAD high, then per byte set the data pads,
    raise the strobe, wait, lower it. The chip synchronises the strobe, so hold each for 4 clocks."""
    dut.input_in.value = LOAD
    await ClockCycles(dut.clk, 4)
    for b in table:
        dut.bidir_in.value = b
        await ClockCycles(dut.clk, 1)
        dut.input_in.value = LOAD | STROBE
        await ClockCycles(dut.clk, 4)
        dut.input_in.value = LOAD
        await ClockCycles(dut.clk, 4)
    dut.input_in.value = 0
    await ClockCycles(dut.clk, 4)


async def highs_per_period(dut, periods):
    """High clocks in each PWM period, counted from the core's own count = 0."""
    while int(dut.count.value) != 0:
        await RisingEdge(dut.clk)
    out = []
    for _ in range(periods):
        n = 0
        for _ in range(256):
            await FallingEdge(dut.clk)
            n += int(dut.bidir_out.value[PWM_PAD])
        out.append(n)
    return out


@cocotb.test()
async def test_plays_the_table(dut):
    """Load a 256-entry breathing table, play it: each period's high time is the next entry."""
    table = breathing_table()
    await start(dut)
    await load(dut, table)
    dut.input_in.value = EN
    got = await highs_per_period(dut, 600)
    # the output starts part-way through the table; find where, then demand every period match
    fits = [off for off in range(256) if all(got[j] == table[(j + off) % 256] for j in range(2, 600))]
    dut._log.info(f"first periods {got[:8]}, table aligns at offset {fits}")
    Path(__file__).resolve().parent.joinpath("pattern_trace.csv").write_text("\n".join(map(str, got)))
    assert len(fits) == 1, f"the output does not follow the table (offsets that fit: {fits})"


@cocotb.test()
async def test_reload(dut):
    """Loading again replaces the pattern: a flat 64 gives 64 high clocks every period."""
    await start(dut)
    await load(dut, breathing_table())
    await load(dut, [64] * 256)
    dut.input_in.value = EN
    got = await highs_per_period(dut, 40)
    assert all(g == 64 for g in got[2:]), got


def test_runner():
    here = Path(__file__).resolve().parent
    defines = {"gf180mcu_xxx_ip_sram__sram512x8m8wm1": "gf180mcu_fd_ip_sram__sram512x8m8wm1"}
    runner = get_runner("icarus")
    runner.build(
        sources=[SRAM / "gf180mcu_fd_ip_sram__sram512x8m8wm1.v", here / "chip_core.sv"],
        hdl_toplevel="chip_core",
        parameters={"NUM_INPUT_PADS": 4, "NUM_BIDIR_PADS": 38, "NUM_ANALOG_PADS": 4, "HOLD_LOG2": 0},
        defines=defines,
        build_args=["-g2012"],
        timescale=("1ns", "1ps"),
        always=True,
    )
    runner.test(hdl_toplevel="chip_core", test_module="test_pattern")


if __name__ == "__main__":
    test_runner()

必要な工具:

デスクトップパソコンデスクトップパソコン
6

シミュレーションの出力内容

このブループリントを Icarus Verilog 12.0 と cocotb 2.1.0 で実行した結果: -------- MESSAGE: CEN はリセット直後、メモリは動作中 --------- test_pattern.test_plays_the_table PASS (600 周期、テーブルは正確に 1 つのオフセットで整列) test_pattern.test_reload PASS TESTS=2 PASS=2 FAIL=0 SKIP=0 テストが失敗しうることを確認するため、WEN を 8'b0 から 8'hFF に変更しました。これはアクティブローのピンでよくある取り違えで、すべてのビットがマスクされ、何も書き込まれず、テーブルはゼロで埋まります。両方のテストが失敗し、その後コアは元に戻されました。 1 行目は SRAM モデル自身のメッセージです。モデルが要求するとおり、コアはリセット後に CEN を下げました。
7

Load it from an ESP32

Once the chip is on its breakout board, this sketch writes the table. Eight GPIOs carry the byte, three more drive LOAD, the strobe and enable, and an LED with a 330 ohm resistor from pad 8 to ground shows the breath. Each level is held for 1 microsecond, 25 of the chip's clocks, so the synchroniser always sees it. The sketch then does nothing: the pattern lives in the chip. It is lost when the chip loses power, so send r over serial to load it again. The ESP32 is a 3.3 V part and its inputs are not 5 V tolerant. The sketch only drives the chip and never reads from it. The template's default libraries are the 5 V ones; before you connect, check in the I/O library's documentation that 3.3 V is a valid logic high for your chip's inputs, or build with the 3.3 V libraries, as the template's README shows. The sketch compiles for the ESP32 with the Arduino ESP32 core 3.3.12; it has not been run, because the chip does not exist yet.
load_pattern.inocpp
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
// Load a breathing pattern into your chip's SRAM through its pads, then let the chip play it.
// Youblob silicon rung 5. The chip does the playing; this board only writes 256 bytes once.
//
// Wiring (ESP32 GPIO -> chip pad on your breakout):
//   D0..D7  GPIO 13,14,18,19,21,22,23,25 -> bidir[0..7]
//   LOAD    GPIO 26 -> input[1]
//   STROBE  GPIO 27 -> input[2]
//   EN      GPIO 32 -> input[0]
//   and a common ground. The chip's bidir[8] drives an LED through 330 ohm to ground.
// The ESP32 is a 3.3 V part: run the chip's I/O at 3.3 V, or put a level shifter between them.

#include <math.h>

const int DATA_PINS[8] = {13, 14, 18, 19, 21, 22, 23, 25};
const int PIN_LOAD = 26, PIN_STROBE = 27, PIN_EN = 32;

// The chip passes LOAD and STROBE through a two-flip-flop synchroniser and looks for the strobe's
// rising edge, so every level has to last a few of ITS clocks. 1 us is 25 clocks at 25 MHz.
const unsigned HOLD_US = 1;

uint8_t table[256];

void makeBreathingTable() {
  // a raised sine, gamma-corrected (2.2) so the brightness steps look even to the eye
  for (int i = 0; i < 256; i++) {
    float s = (1.0f - cosf(2.0f * PI * i / 256.0f)) / 2.0f;
    table[i] = (uint8_t)lroundf(255.0f * powf(s, 2.2f));
  }
}

void putByte(uint8_t b) {
  for (int bit = 0; bit < 8; bit++) digitalWrite(DATA_PINS[bit], (b >> bit) & 1);
  delayMicroseconds(HOLD_US);            // data settles before the strobe
  digitalWrite(PIN_STROBE, HIGH);        // the chip writes on the strobe's rising edge...
  delayMicroseconds(HOLD_US);            // ...a few of its clocks later, so hold the data
  digitalWrite(PIN_STROBE, LOW);
  delayMicroseconds(HOLD_US);
}

void loadTable() {
  digitalWrite(PIN_EN, LOW);
  digitalWrite(PIN_LOAD, HIGH);          // entering LOAD resets the chip's address to 0
  delayMicroseconds(HOLD_US);
  for (int i = 0; i < 256; i++) putByte(table[i]);
  digitalWrite(PIN_LOAD, LOW);
  delayMicroseconds(HOLD_US);
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  for (int bit = 0; bit < 8; bit++) pinMode(DATA_PINS[bit], OUTPUT);
  pinMode(PIN_LOAD, OUTPUT);
  pinMode(PIN_STROBE, OUTPUT);
  pinMode(PIN_EN, OUTPUT);
  digitalWrite(PIN_STROBE, LOW);

  makeBreathingTable();
  loadTable();
  digitalWrite(PIN_EN, HIGH);            // play
  Serial.println("pattern loaded; the chip is playing it on its own");
  Serial.printf("table[0]=%u table[64]=%u table[128]=%u\n", table[0], table[64], table[128]);
}

void loop() {
  // Nothing to do: the pattern lives in the chip's SRAM now.
  // Send 'r' over serial to load it again (the SRAM loses it when the chip loses power).
  if (Serial.available() && Serial.read() == 'r') {
    loadTable();
    digitalWrite(PIN_EN, HIGH);
    Serial.println("reloaded");
  }
}

このステップの材料:

カスタム ASIC ダイカスタム ASIC ダイ1 個
プリント基板プリント基板1 個
5 mm LED5 mm LED1 個
330 オーム抵抗330 オーム抵抗1 個

必要な工具:

ESP32 開発ボードESP32 開発ボード
ブレッドボードブレッドボード
ジャンパワイヤジャンパワイヤ
デスクトップパソコンデスクトップパソコン
8

保存できない、または再生できないパターン

SRAM パターンのトラブルシューティング。

Flow

Loading...
9

出典と正直な制限

**出典**、2026年9月29日に参照:テンプレートが固定しているコミット(gf180mcuD、f6eeac7dad085ffcc829ccfd721f7b4ce39edcf7、fossi-foundation ciel リリース由来;Apache-2.0)における GF180MCU PDK:SRAM モデル gf180mcu_fd_ip_sram__sram512x8m8wm1.v、その外形は LEF、最小クロック周期はそのタイミングファイル;フリップフロップ面積は標準セルライブラリのタイミングファイル。wafer-space/gf180mcu-project-template リポジトリ(src/chip_core.sv、src/chip_top.sv、README.md、librelane/config.yaml;Apache-2.0)。 **正直な制限。** シミュレーションは chip_core レベルで行われ、SRAM 自身のモデルを使用しているが、パッドリング、合成、レイアウトは含まれておらず、モデルのタイミングチェックはここでは何も決定しない。ESP32 のスケッチはコンパイルしたが実行はしていない。HOLD_LOG2 はテストが終了するように 0 にしていたが、チップでは 9 を使用する想定で、約1.3秒ほどの間である。

材料

4

必要な工具

4

CC0 パブリックドメイン

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