ما يفعله المهندسون في أبل وإنتل في المكتب: دورة موجهة عبر الإنترنت في مجال الإلكترونيات الدقيقة الحديثة للطلاب

في الآونة الأخيرة ، تم إصدار دورة تدريبية مجانية على الإنترنت في ثلاثة أجزاء بعنوان "كيف يعمل مبتكرو شرائح النانو الذكية" ( 1 ، 2 ، 3 ). الغرض منه هو التوجيه المهني لأطفال المدارس ويتميز بأقصى قدر من الخصوصية: هكذا يبدو توزيع العمل في فريق تصميم الرقائق الدقيقة ، حيث تم تطوير التطوير هنا على مفاهيم التصميم هذه على مستوى نقل السجل ، وتستخدم هذه الخوارزميات لتحديد مقدار الميجا هرتز التي سيعمل بها المعالج المصمم للكمبيوتر أو إلكترونيات السيارات.

بالإضافة إلى التوجيه المهني النظري ، يمكن استخدام الدورة التدريبية لاختيار الطلاب للمدارس الصيفية العملية على FPGAs وتصميم المعالج. تم التخطيط لمثل هذه المدرسة هذا العام في زيلينوغراد ، وتم اختبار نموذجها الأولي في المدرسة الصيفية للمبرمجين الصغار في نوفوسيبيرسك وفي أسبوع الإلكترونيات لأطفال المدارس في كييف في العام السابق. يمكنك أيضًا محاولة إنشاء اختراق على الشبكات العصبية التي يتم تنفيذها بواسطة الأجهزة وتنفيذ الأجهزة للألعاب مع الإخراج إلى شاشة VGA (المزيد حول ذلك لاحقًا في المنشور).



باختصار حول ما تم تضمينه في كل وحدة من الوحدات الثلاث - "من الترانزستور إلى الدائرة الصغيرة" ، و "الجانب المنطقي للدوائر الرقمية" و "الجانب المادي للدوائر الرقمية".

تبدأ الدورة التدريبية "كيف يمكن لمبدعي عمل رقائق النانو الذكية" من الصفر المطلق ، وبالتالي فإن الجزء الأول منه ، "من الترانزستور إلى الدائرة المصغرة" ، يكرر إلى حد كبير المواد الإلكترونية الأخرى لأطفال المدارس التي تم إنشاؤها في السنوات الخمسين الماضية - ما هو الترانزستور ، والعناصر المنطقية ، والثنائية الأرقام والمشغلات. يظل مفهوم D-flip-flop داخل iPhone الحديث كما هو في مجلة Quantum لعام 1986. انخفضت الترانزستورات ألف مرة ، ولكن جوهرها لم يتغير.

إن المجموعة الوحيدة من المعلومات التي لم تكن موجودة في الدورات السابقة تدور حول ما يسمى بالخلايا القياسية ، والتي تعتمد عليها الغالبية العظمى من الدوائر الدقيقة المتخصصة الحديثة. تبدو مثل هذا:



حاول الإجابة على السؤال من الاختبار أدناه ، وإذا كنت تعرف الإجابة ، فيمكنك تخطي الوحدة الأولى من الدورة التدريبية:

لماذا تسمى الخلايا المعيارية للرقائق الحديثة (خلايا أسيك القياسية) قياسية؟

1. اوه اعلم هذا لأنهم يقومون بتنفيذ الوظائف المنطقية القياسية AND ، OR ، NOT
2. تحتوي عناصر الترانزستور في الخلايا القياسية على تركيبة كيميائية قياسية
3. الخلايا القياسية تعمل بسرعة قياسية على مدار الساعة
4. لديهم ارتفاع قياسي (البعد في المنطقة) ، مما يبسط إمدادات الطاقة لهم واتصالهم التلقائي مع بعضهم البعض
5. تم توحيد بنية الخلايا القياسية من قبل لجنة المعايير الأوروبية.

الجواب الصحيح هو:


إذا كنت لا تعرف ، فيمكنك الانتقال إلى الوحدة الأولى من الدورة التدريبية - "من الترانزستور إلى الدائرة الصغيرة". هنا هو محتواها:



إذا كان معظم الوحدة الأولى من الدورة التدريبية "كيف يعمل منشئو شرائح النانو الذكية" يتحدثون عن نفس الأشياء التي كانت موجودة في النصوص الشائعة لأطفال المدارس منذ السبعينيات ، ثم في الجزء الثاني ، "الجانب المنطقي للدوائر الرقمية" ، فإننا ندخل المجال الذي لم تكن هناك مجلة Quantum ، والتي تم التخلي عنها عمومًا في التعليم الروسي بسبب انهيار الاتحاد السوفيتي. نحن نتحدث عن ما يسمى بـ RTL-to-GDSII ، وطرق تصميم خطة لوضع مليارات الترانزستورات ومسارات الرقائق استنادًا إلى تجميع / توليف الكود في لغات وصف الأجهزة Verilog و VHDL. يجب التغلب على الفشل في هذا المجال ، بدءًا من مستوى الطلاب المتقدمين. خلاف ذلك ، لا توجد أجهزة iPhone أو روبوت أو سيارات ذاتية القيادة حقًا روسية.



في السنوات الأخيرة ، حفزت روسيا تعميم تصميم الدوائر الرقمية من خلال تجميع أوصاف الأجهزة من اللغات ، بما في ذلك بسبب إصدار كتاب مدرسي مجاني (النسخة الإلكترونية) من تأليف ديفيد هاريس وسارة هاريس "الدارة الرقمية وهندسة الكمبيوتر" . تلقت المشاركات على Habré حول هذا الكتاب المدرسي أكثر من 300 ألف مرة ، وتحميلها مرتين على الموقع البريطاني Imagination Technologies. تم في الآونة الأخيرة إصدار نسخة منقحة نهائية من البرنامج التعليمي ، والتي يمكنك تنزيلها من الرابط من موقع MIPS . صحيح أن الرابط يعمل فقط في نظام Windows ، ولكن على نظام التشغيل Mac و Linux فهو عربات التي تجرها الدواب. إذا كنت تواجه مشكلات في ذلك ، يمكنك تنزيل الإصدار نفسه من هنا . أو شراء كتاب ورقي من DMK Press على الأوزون أو في المتاهة.



تستخدم وحدة "الجانب المنطقي للدوائر الرقمية" في الدورة التدريبية "كيف يعمل منشئو رقائق النانو الذكية" مثال "الحلزون المبتسم" من هاريس. الحلزون هو جهاز حكومي يتعرف على تسلسل الأصفار والأخرى. يتعرف المساق على الكود المصدري لجهاز "الحلزون" في لغة وصف أجهزة Verilog ، ويقدم مفاهيم الرسوم البيانية لحالة الجهاز والرسوم البيانية لإشارات الوقت. بعد ذلك ، يتم عرض دائرة إلكترونية مركبة من الوصف ، مع عناصر منطقية ومشغلات D لتخزين حالة جهاز الحالة "الحلزون".





استنادًا إلى مثال "الحلزون" ، يمكن لتلاميذ المدارس على الاختلاط توليف "أقفال كود" مختلفة لبطاقات FPGA. في امتحان الدورة التدريبية "كيف يعمل المبدعون في رقائق النانو الذكية" ، هناك سؤال حول مخطط الدولة لجهاز الدولة لما يسمى بـ "الغرفة الصينية" - مثال شائع من مجال الذكاء الاصطناعي. فيما يلي رسم تخطيطي لآلة الدولة البسيطة للحوار مع الشخصيات الصينية. إذا أعطيته مزيجًا من العديد من الهيروغليفية "الشجرة" و "الدب" ، مع الهيروغليفية التالية "العلم" ، فسوف تقدم الآلة سلسلة من الهيروغليفية "سيبيريا" - هذا مثال وُلد أثناء ندوة لأطفال المدارس في نوفوسيبيرسك أكاديميجورودوك:



يصف الجزء الثالث ، "الجانب المادي للدوائر الرقمية" ، كيفية وضع رسم بياني للعناصر المنطقية المُصنَّعة في الجزء الثاني على دارة متناهية الصغر وتحويله إلى رسم GDSII يُرسل إلى المصنع حيث تُخبز الدوائر الصغيرة. يناقش هذا الجزء أيضًا خوارزميات التنسيب والتتبع التي ستكون ذات أهمية للطلاب الموجودين رياضياً. البحث في مجال أتمتة تصميم الدوائر الصغيرة هو مجال شائع بين الفائزين السابقين في مسابقات الرياضيات.



إليك ما يبدو عليه تصميم الرقائق بعد وضعه وتعقبه باستخدام برنامج Synopsys IC Compiler:



ولكن هذا الهيكل النمطي هندسي متكرر هو شجرة لإشارة عقارب الساعة داخل الشريحة ، تم إنشاؤها بحيث تصل إشارة الساعة إلى جميع مشغلات D في نفس الوقت تقريبًا. يختلف عرض "فروع" هذه الشجرة من مركبات معدنية سميكة إلى رقيقة على الدائرة الدقيقة من أجل تلبية القيود المادية لموصلات النحاس على مستوى النانومتر لتكنولوجيا أشباه الموصلات:



وهنا مثال على ما يسمى بخوارزمية تتبع الموجة (بالإنجليزية: Maze Routing - "البحث عن مسارات في المتاهة"). تم استخدام هذه الخوارزمية في برامج أتمتة التصميم المبكرة لتوصيل العناصر المنطقية للدائرة. إن خوارزمية تتبع الموجة بسيطة جدًا بحيث يمكن لطالب ثانوي قادر على كتابتها بلغة C أو Python أو Java. يعد هذا تمرينًا مفيدًا لأولئك الذين سيقومون بكتابة خوارزميات أكثر تعقيدًا في المستقبل ، على سبيل المثال ، للرقائق ثلاثية الأبعاد المستقبلية:



ما الذي يمكن للطلاب فعله بعد إتقان مفاهيم تصميم الدوائر الرقمية على Verilog؟ التمارين في المحاكاة أو مع الأضواء الساطعة على لوحة FPGA ، على الرغم من أنها ضرورية ، مزعجة للغاية ، وتصميم معالجات بسيطة وآلات حاسبة عصبية مثيرة للاهتمام فقط لنسبة صغيرة من الطلاب الذين يقررون إتقان هندسة الكمبيوتر. لحسن الحظ ، لا تقتصر التمارين الممكنة للطلاب على هذين المجالين.

منذ شهرين فقط ، تم نشر كتاب "تصميم أجهزة ألعاب الفيديو في Verilog" من تأليف Steven Hugg ، الذي يصف تصميم أنظمة الألعاب على Verilog ، مع التنفيذ في FPGA المتصل بشاشة VGA. نحن نتحدث عن ألعاب الفيديو في السبعينيات والثمانينيات من القرن الماضي ، وذلك من خلال إجراء مسح ضوئي ومخزن مؤقت للإطار وعفاريت. أتاري بينج بونج ، حروب الفضاء ، tanchiki. تم تجميع ماكينات القمار لهذه الألعاب لأول مرة في سبعينيات القرن الماضي على الدوائر الصغيرة بدرجة تكامل صغيرة ، ثم على PAL وأجهزة التحكم الدقيقة ، بما في ذلك Motorola 6502 ، والتي كانت تستخدمها شركة Apple في الأولى. يناقش كتاب ستيفن هاج أيضًا تطبيق الأجهزة من العفاريت المألوفة للمبرمجين واللاعبين السوفيت في النصف الثاني من الثمانينات باستخدام معالج الفيديو Texas Instruments TMS9918 ، والذي تم تثبيته في أجهزة الكمبيوتر اليابانية Yamaha MSX المستوردة في ذلك الوقت في المدارس السوفيتية.

كتاب هاج مفيد ليس فقط وليس كثيرا للسواعد الحنين. هذه مجموعة ممتازة من المهام للطلاب الحديثين وأطفال المدارس الذين بدأوا دراسة الإلكترونيات. نظرًا لأن المهام قديمة ، إلا أن التقنيات - Verilog والتوليف المنطقي والنماذج الأولية لـ FPGA - جديدة ، وتلك التي يتم دراستها الآن في العام الدراسي 2018-2019 في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا خلال 6.111 . بدون تدريبات بسيطة مع Verilog و FPGA ، فإن المهندسين الذين يجلسون الآن في سانتا كلارا في Intel و NVidia و AMD في Cupertino في Apple وشركات إلكترونية أخرى لن يكبروا.





لتلخيص. سيكون من الرائع أن يقوم الآن عدد معين من معلمي المدارس والجامعات باختبار الدورة التدريبية "كيف يعمل المبدعون في رقائق النانو الذكية" ثم يرسلون الطلاب المهتمين بها. ثم ، لأطفال المدارس الذين سيحصلون على شهادة من هذه الدورة ، يمكنك دعوتهم لحضور ندوة عملية مع لوحات FPGA (سيتم توزيع بعضها على جوائز لمشاريع ناجحة). وتناقش الآن مثل هذه الندوات في زيلينوغراد ، موسكو ، وهناك أيضا مصلحة في سوتشي ومينسك وغيرها من الأماكن. على المدى البعيد ، ستنمي روسيا مجتمعًا من مطوري الشرائح الذين تطوروا في Silicon Valley واليابان وتايوان وكوريا الجنوبية والمملكة المتحدة ، ويتطورون الآن في شنغهاي وأماكن أخرى. هذا شيء يجب أن يوجد في كل دولة كبيرة متقدمة تقنيًا ، وفي روسيا هناك تقاليد كافية في الرياضيات والفيزياء والهندسة لدعم مثل هذا التطور.