Lo que hacen los ingenieros de Apple e Intel en la oficina: un curso en línea orientado a una carrera en microelectrónica moderna para estudiantes

Recientemente, recientemente se lanz√≥ un curso en l√≠nea gratuito en tres partes titulado "C√≥mo funcionan los creadores de nanochips inteligentes" ( 1 , 2 , 3 ). Est√° destinado a la orientaci√≥n profesional de los escolares y se caracteriza por la m√°xima especificidad: as√≠ es como se ve la distribuci√≥n del trabajo en el equipo de dise√Īo de microchips, aqu√≠ el desarrollo se basa en dichos conceptos de dise√Īo a nivel de transferencia de registro, y estos algoritmos se utilizan para determinar cu√°ntos megahercios funcionar√° el procesador dise√Īado para la computadora electr√≥nica automotriz.

Adem√°s de la orientaci√≥n profesional te√≥rica, el curso se puede utilizar para seleccionar estudiantes para escuelas pr√°cticas de verano sobre FPGA y dise√Īo de procesadores. Tal escuela est√° planeada este a√Īo en Zelenograd, su prototipo fue probado en la Escuela de Verano para J√≥venes Programadores en Novosibirsk y en la Semana de la Electr√≥nica para escolares en Kiev el a√Īo anterior. Tambi√©n puede intentar hacer un hackathon en redes neuronales implementadas en hardware e implementaci√≥n de hardware de juegos con salida a una pantalla VGA (m√°s sobre eso m√°s adelante en la publicaci√≥n).



Brevemente sobre lo que se incluye en cada uno de los tres módulos: "Del transistor al microcircuito", "El lado lógico de los circuitos digitales" y "El lado físico de los circuitos digitales".

El curso "C√≥mo funcionan los creadores de nanochips inteligentes" comienza desde cero absoluto, por lo tanto, su primera parte, "Del transistor al microcircuito", repite en gran medida otros materiales electr√≥nicos para escolares que se han creado en los √ļltimos 50 a√Īos: lo que es un transistor, elementos l√≥gicos, binarios n√ļmeros y disparadores. El concepto del D-flip-flop dentro del iPhone moderno sigue siendo el mismo que en la revista Quantum de 1986. Los transistores disminuyeron mil veces, pero su esencia no ha cambiado.

El √ļnico bloque de informaci√≥n que no estaba en los cursos anteriores es sobre las llamadas c√©lulas est√°ndar, sobre las tecnolog√≠as de las cuales se construye la gran mayor√≠a de los microcircuitos especializados modernos. Se ven as√≠:



Intente responder la pregunta de las pruebas a continuación, y si conoce la respuesta, puede omitir el primer módulo del curso:
¬ŅPor qu√© las c√©lulas est√°ndar de microchips modernos (c√©lulas est√°ndar ASIC) se llaman est√°ndar?
  1. Oh lo se! Esto se debe a que implementan las funciones lógicas estándar AND, OR, NOT
  2. Los elementos del transistor en las celdas estándar tienen una composición química estándar.
  3. Las celdas est√°ndar funcionan a la velocidad de reloj est√°ndar
  4. Tienen una altura estándar (dimensión en el área), lo que simplifica el suministro de energía para ellos y su conexión automática entre sí.
  5. La estructura de las celdas est√°ndar alguna vez fue estandarizada por alg√ļn comit√© europeo de est√°ndares.

La respuesta correcta es:

Texto oculto
4. Las celdas estándar (celdas estándar ASIC) tienen una altura estándar (dimensión en el área), lo que simplifica el suministro de energía para ellas y su conexión automática entre ellas.



Si no lo sabe, puede pasar por el primer módulo del curso: "Del transistor al microcircuito". Aquí está su contenido:



Si la mayor parte del primer m√≥dulo del curso "C√≥mo funcionan los creadores de nanochips inteligentes" habla sobre las mismas cosas que han estado en textos populares para escolares desde la d√©cada de 1970, entonces en la segunda parte, "El lado l√≥gico de los circuitos digitales", entramos en el √°rea que no hab√≠a una revista Quantum, y que, en general, fue abandonada en la educaci√≥n rusa debido al colapso de la URSS. Estamos hablando de la llamada ruta RTL a GDSII, m√©todos para dise√Īar un plan para colocar miles de millones de transistores y pistas de chips basados ‚Äč‚Äčen la compilaci√≥n / s√≠ntesis de c√≥digo en los lenguajes de descripci√≥n de hardware Verilog y VHDL. El fracaso en esta √°rea debe superarse, comenzando con el nivel de estudiantes avanzados. De lo contrario, no hay iPhones, robots o autom√≥viles aut√≥nomos realmente rusos.



En los √ļltimos a√Īos, Rusia ha estimulado la popularizaci√≥n del dise√Īo de circuitos digitales al sintetizar descripciones de hardware a partir de idiomas, incluso debido al lanzamiento en ruso de un libro de texto gratuito (versi√≥n electr√≥nica) de David Harris y Sarah Harris "Circuitos digitales y arquitectura de computadoras" . Las publicaciones en Habr√© sobre este libro de texto recibieron m√°s de 300 mil visitas, y las descargas abrumaron dos veces al sitio brit√°nico Imagination Technologies. Recientemente se lanz√≥ una versi√≥n revisada final del tutorial, que puede descargar desde el enlace desde el sitio web de MIPS . Es cierto que el enlace funciona solo en Windows, pero en Mac y Linux tiene errores. Si tiene problemas con √©l, puede descargar la misma versi√≥n desde aqu√≠ . O compre un libro de papel de DMK Press en Ozone o en el Labyrinth.



El m√≥dulo "Lado l√≥gico de los circuitos digitales" del curso "C√≥mo trabajan los creadores de nanochips inteligentes" utiliza el ejemplo de un "caracol sonriente" de Harris. Un caracol es una m√°quina de estados que reconoce secuencias de ceros y unos. El curso comprende el c√≥digo fuente de la m√°quina "caracol" en el lenguaje de descripci√≥n de hardware Verilog e introduce los conceptos de diagramas de estado de m√°quina de estado y diagramas de se√Īales de tiempo. Despu√©s de esto, se muestra un circuito electr√≥nico sintetizado a partir de la descripci√≥n, con elementos l√≥gicos y disparadores D para almacenar el estado de la m√°quina de estado "caracol".





Basado en el ejemplo de "caracol", los escolares en hackatones pueden sintetizar varios "bloqueos de código" para tarjetas FPGA. En el examen del curso "Cómo funcionan los creadores de nanochips inteligentes", hay una pregunta sobre el diagrama de estado de la máquina de estado de la llamada "sala china", un ejemplo popular del campo de la inteligencia artificial. Aquí hay un diagrama de una máquina de estado simple para el diálogo con caracteres chinos. Si le das una combinación de varios jeroglíficos "árbol" y "oso", con los siguientes jeroglíficos "ciencia", la máquina emitirá una secuencia de jeroglíficos "Siberia" - este es un ejemplo que nació durante un seminario para escolares en el campus académico de Novosibirsk:



La tercera parte, "El lado f√≠sico de los circuitos digitales", describe c√≥mo un gr√°fico de elementos l√≥gicos sintetizados en la segunda parte se presenta en un microcircuito y se convierte en un dibujo GDSII que se env√≠a a la f√°brica donde se hornean los microcircuitos. Esta parte tambi√©n analiza los algoritmos de ubicaci√≥n y rastreo que ser√°n de inter√©s para los estudiantes con orientaci√≥n matem√°tica. La investigaci√≥n en el campo de la automatizaci√≥n del dise√Īo de microcircuitos es un √°rea popular entre los antiguos ganadores de concursos de matem√°ticas.



As√≠ es como se ve el dise√Īo del chip despu√©s de colocarlo y rastrearlo usando el Compilador IC de Synopsys:



Pero esta elegante estructura fractal es un √°rbol de una se√Īal de reloj dentro del chip, construida para que la se√Īal de reloj llegue a todos los disparadores D aproximadamente al mismo tiempo. El ancho de las "ramas" de este √°rbol var√≠a de compuestos met√°licos gruesos a delgados en el microcircuito para satisfacer las limitaciones f√≠sicas de los conductores de cobre a nivel nanom√©trico de la tecnolog√≠a de semiconductores:



Y aqu√≠ hay una ilustraci√≥n del llamado algoritmo de trazado de onda (en ingl√©s Maze Routing - "Buscando rutas en el laberinto"). Este algoritmo se utiliz√≥ en los primeros programas de automatizaci√≥n de dise√Īo para conectar los elementos l√≥gicos de un circuito. El algoritmo de trazado de onda es tan simple que un estudiante de secundaria capaz puede escribirlo en C, Python o Java. Este es un ejercicio √ļtil para aquellos que van a escribir algoritmos mucho m√°s complejos en el futuro, por ejemplo, para futuros chips tridimensionales:



¬ŅQu√© pueden hacer los estudiantes despu√©s de dominar los conceptos de dise√Īo de circuitos digitales en Verilog? Los ejercicios en el simulador o con luces intermitentes en la placa FPGA, aunque necesarios, son bastante molestos, y el dise√Īo de procesadores simples y calculadoras neuronales es interesante solo para un peque√Īo porcentaje de estudiantes que deciden dominar la arquitectura de la computadora. Afortunadamente, los ejercicios que son posibles para los estudiantes no se limitan a estas dos √°reas.

Hace solo dos meses, se public√≥ el libro Designing Video Game Hardware in Verilog de Steven Hugg, que describe el dise√Īo de esquemas de juegos en Verilog, con la implementaci√≥n en el FPGA conectado a la pantalla VGA. Estamos hablando de videojuegos de los a√Īos setenta y ochenta, con la generaci√≥n de un escaneo, un frame buffer, sprites. Atari ping pong, guerras espaciales, tanchiki. Las m√°quinas tragamonedas para estos juegos se ensamblaron por primera vez en la d√©cada de 1970 en microcircuitos de un peque√Īo grado de integraci√≥n, luego en PAL y microcontroladores, incluido Motorola 6502, que Apple utiliz√≥ por primera vez. El libro de Steven Hagg tambi√©n analiza la implementaci√≥n de hardware de sprites familiares para los programadores y jugadores sovi√©ticos en la segunda mitad de la d√©cada de 1980 utilizando el procesador de video Texas Instruments TMS9918, que se instal√≥ en las computadoras japonesas Yamaha MSX importadas en ese momento en las escuelas sovi√©ticas.

El libro de Hagg es √ļtil no solo y no tanto para los chiflados nost√°lgicos. Este es un excelente conjunto de tareas para estudiantes modernos y escolares que est√°n comenzando a estudiar electr√≥nica. Dado que las tareas son antiguas, pero aqu√≠ las tecnolog√≠as (Verilog, s√≠ntesis l√≥gica, creaci√≥n de prototipos FPGA) son nuevas, las mismas que ahora se est√°n estudiando en el a√Īo acad√©mico 2018-2019 en el MIT en el curso de 6.111 . Sin ejercicios simples con Verilog y FPGA, los ingenieros que ahora se sientan en Santa Clara en Intel, NVidia y AMD, en Cupertino en Apple y otras compa√Ī√≠as electr√≥nicas no habr√≠an crecido.





Para resumir. Ser√≠a bueno que ahora un cierto n√ļmero de maestros de escuela y universidad revisen el curso "C√≥mo funcionan los creadores de nanochips inteligentes", despu√©s de lo cual enviar√≠an a los estudiantes interesados. Luego, para los escolares que recibir√°n un certificado de este curso, puede invitarlos a un seminario pr√°ctico con paneles de FPGA (algunos de los cuales se distribuir√°n como premios para proyectos exitosos). Estos seminarios se est√°n discutiendo ahora en Zelenograd, Mosc√ļ, tambi√©n hay inter√©s en Sochi, Minsk y otros lugares. A largo plazo, Rusia desarrollar√° una comunidad de desarrolladores de chips que se ha desarrollado en Silicon Valley, Jap√≥n, Taiw√°n, Corea del Sur, el Reino Unido, y que ahora est√° tomando forma en Shanghai y otros lugares. Esto es algo que deber√≠a existir en todos los pa√≠ses grandes t√©cnicamente avanzados, y en Rusia hay suficientes tradiciones en matem√°ticas, f√≠sica e ingenier√≠a para apoyar tal desarrollo.

Source: https://habr.com/ru/post/443234/


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