Was Ingenieure bei Apple und Intel im Büro tun: ein karriereorientierter Online-Kurs in moderner Mikroelektronik für Studenten

Kürzlich wurde ein kostenloser Online-Kurs in drei Teilen mit dem Titel „Wie die Entwickler intelligenter Nanochips arbeiten“ veröffentlicht ( 1 , 2 , 3 ). Es ist für die Berufsberatung von Schulkindern gedacht und zeichnet sich durch maximale Spezifität aus: So sieht die Verteilung der Arbeit im Mikrochip-Designteam aus. Hier baut die Entwicklung auf solchen Designkonzepten auf Registerübertragungsebene auf, und diese Algorithmen werden verwendet, um zu bestimmen, wie viel Megahertz der entworfene Prozessor für einen Computer oder einen Computer arbeiten wird Automobilelektronik.

Neben der theoretischen Berufsberatung können im Kurs Schüler für praktische Sommerschulen zu FPGAs und Prozessordesign ausgewählt werden. Eine solche Schule ist in diesem Jahr in Zelenograd geplant. Ihr Prototyp wurde an der Sommerschule für junge Programmierer in Nowosibirsk und an der Elektronikwoche für Schulkinder in Kiew im vorletzten Jahr getestet. Sie können auch versuchen, einen Hackathon über hardwareimplementierte neuronale Netze und die Hardwareimplementierung von Spielen mit Ausgabe auf einem VGA-Display durchzuführen (mehr dazu später in diesem Beitrag).



Kurz darüber, was in jedem der drei Module enthalten ist - "Vom Transistor zur Mikroschaltung", "Die logische Seite der digitalen Schaltung" und "Die physikalische Seite der digitalen Schaltung".

Der Kurs "Wie arbeiten die Schöpfer intelligenter Nanochips?" Beginnt mit dem absoluten Nullpunkt, daher wiederholt der erste Teil "Vom Transistor zum Mikrokreislauf" weitgehend andere elektronische Materialien für Schulkinder, die in den letzten 50 Jahren erstellt wurden - was ist ein Transistor, logische Elemente, binär Zahlen und Auslöser. Das Konzept des D-Flip-Flops im modernen iPhone bleibt das gleiche wie im Quantum-Magazin von 1986. Transistoren nahmen tausendmal ab, aber ihr Wesen hat sich nicht verändert.

Der einzige Informationsblock, der in den vorherigen Kursen nicht enthalten war, betrifft die sogenannten Standardzellen, auf deren Technologien die überwiegende Mehrheit der modernen spezialisierten Mikroschaltungen aufgebaut ist. Sie sehen so aus:



Versuchen Sie, die Frage aus den folgenden Tests zu beantworten. Wenn Sie die Antwort kennen, können Sie das erste Modul des Kurses überspringen:

Warum werden Standardzellen moderner Mikrochips (ASIC-Standardzellen) als Standard bezeichnet?

1. Oh, ich weiß! Dies liegt daran, dass sie die logischen Standardfunktionen AND, OR, NOT implementieren
2. Transistorelemente in Standardzellen haben eine chemische Standardzusammensetzung
3. Standardzellen arbeiten mit Standardtaktrate
4. Sie haben eine Standardhöhe (Abmessung auf der Fläche), die die Stromversorgung und die automatische Verbindung miteinander vereinfacht
5. Die Struktur der Standardzellen wurde einst von einem europäischen Normungsausschuss standardisiert.

Die richtige Antwort lautet:


Wenn Sie es nicht wissen, können Sie das erste Modul des Kurses durchgehen - "Vom Transistor zum Mikrokreis". Hier ist sein Inhalt:



Wenn der größte Teil des ersten Moduls des Kurses „Wie arbeiten die Entwickler intelligenter Nanochips?“ Über dieselben Dinge spricht, die seit den 1970er Jahren in populären Texten für Schulkinder enthalten sind, dann betreten wir im zweiten Teil „Die logische Seite digitaler Schaltkreise“ den Bereich, in dem Es gab kein Quantum-Magazin, das aufgrund des Zusammenbruchs der UdSSR im Allgemeinen in der russischen Bildung aufgegeben wurde. Wir sprechen über die sogenannte RTL-zu-GDSII-Route, Methoden zum Entwerfen eines Plans zum Platzieren von Milliarden von Transistoren und Chipspuren basierend auf der Kompilierung / Synthese von Code in den Hardwarebeschreibungssprachen Verilog und VHDL. Das Scheitern in diesem Bereich muss überwunden werden, beginnend mit dem Niveau der fortgeschrittenen Schüler. Ansonsten gibt es keine wirklich russischen iPhones, Roboter oder selbstfahrenden Autos.



In den letzten Jahren hat Russland die Popularisierung des Designs digitaler Schaltungen vorangetrieben, indem es Hardwarebeschreibungen aus Sprachen synthetisierte, unter anderem aufgrund der Veröffentlichung eines kostenlosen Lehrbuchs (elektronische Version) von David Harris und Sarah Harris auf Russisch „Digitale Schaltungen und Computerarchitektur“. . Beiträge auf Habré über dieses Lehrbuch erhielten mehr als 300.000 Aufrufe, und Downloads überwältigten die britische Website Imagination Technologies zweimal. Kürzlich wurde eine endgültige überarbeitete Version des Tutorials veröffentlicht, die Sie über den Link von der MIPS-Website herunterladen können . Der Link funktioniert zwar nur unter Windows, aber auf dem Mac und unter Linux ist er fehlerhaft. Wenn Sie Probleme damit haben, können Sie dieselbe Version von hier herunterladen. Oder kaufen Sie ein Papierbuch bei DMK Press über Ozon oder im Labyrinth.



Das Modul „Logische Seite digitaler Schaltkreise“ des Kurses „Wie arbeiten die Entwickler intelligenter Nanochips?“ Verwendet das Beispiel einer „lächelnden Schnecke“ von Harris. Eine Schnecke ist eine Zustandsmaschine, die Folgen von Nullen und Einsen erkennt. Der Kurs versteht den Quellcode der „Schneckenmaschine“ in der Verilog-Hardwarebeschreibungssprache und führt in die Konzepte von Zustandsmaschinen-Zustandsdiagrammen und Zeitsignaldiagrammen ein. Danach wird eine aus der Beschreibung synthetisierte elektronische Schaltung mit logischen Elementen und D-Triggern zum Speichern des Zustands der Zustandsmaschine "Schnecke" gezeigt.





Anhand des Beispiels „Schnecke“ können Schüler auf Hackathons verschiedene „Codesperren“ für FPGA-Karten synthetisieren. In der Prüfung zum Kurs "Wie arbeiten die Schöpfer intelligenter Nanochips?" Wird das Zustandsdiagramm der Zustandsmaschine des sogenannten "chinesischen Raums" gestellt - ein beliebtes Beispiel aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz. Hier ist ein Diagramm einer einfachen Zustandsmaschine für den Dialog mit chinesischen Schriftzeichen. Wenn Sie ihm eine Kombination aus mehreren Hieroglyphen „Baum“ und „Bär“ mit den folgenden Hieroglyphen „Wissenschaft“ geben, gibt die Maschine eine Folge von Hieroglyphen „Sibirien“ aus - dies ist ein Beispiel, das während eines Seminars für Schulkinder auf dem akademischen Campus in Nowosibirsk geboren wurde:



Der dritte Teil, „Die physikalische Seite digitaler Schaltkreise“, beschreibt, wie ein Diagramm der im zweiten Teil synthetisierten Logikelemente auf einer Mikroschaltung angeordnet und in eine GDSII-Zeichnung umgewandelt wird, die an die Fabrik gesendet wird, in der die Mikroschaltungen eingebrannt werden. In diesem Teil werden auch Platzierungs- und Verfolgungsalgorithmen erläutert, die für mathematisch orientierte Schüler von Interesse sind. Die Forschung auf dem Gebiet der Automatisierung des Entwurfs von Mikroschaltungen ist ein beliebtes Gebiet unter ehemaligen Gewinnern von Mathematikwettbewerben.



So sieht das Chipdesign nach Platzierung und Ablaufverfolgung mit Synopsys IC Compiler aus:



Diese elegante fraktale Struktur ist jedoch ein Baum eines Taktsignals innerhalb des Chips, der so aufgebaut ist, dass das Taktsignal ungefähr zur gleichen Zeit bei allen D-Triggern ankommt. Die Breite der „Zweige“ dieses Baums variiert von dicken bis zu dünnen Metallverbindungen auf der Mikroschaltung, um die physikalischen Einschränkungen von Kupferleitern im Nanometerbereich der Halbleitertechnologie zu erfüllen:



Und hier ist eine Illustration des sogenannten Wave-Tracing-Algorithmus (im englischen Labyrinth-Routing - „Suche nach Pfaden im Labyrinth“). Dieser Algorithmus wurde in frühen Entwurfsautomatisierungsprogrammen verwendet, um die logischen Elemente einer Schaltung zu verbinden. Der Wave-Tracing-Algorithmus ist so einfach, dass ein fähiger Schüler ihn in C, Python oder Java schreiben kann. Dies ist eine nützliche Übung für diejenigen, die in Zukunft viel komplexere Algorithmen schreiben werden, beispielsweise für zukünftige dreidimensionale Chips:



Was können Schüler tun, nachdem sie die Konzepte zum Entwerfen digitaler Schaltkreise auf Verilog beherrschen? Übungen im Simulator oder mit blinkenden Lichtern auf der FPGA-Karte sind zwar notwendig, aber ziemlich ärgerlich, und das Design einfacher Prozessoren und neuronaler Taschenrechner ist nur für einen kleinen Prozentsatz der Schüler interessant, die sich für die Beherrschung der Computerarchitektur entscheiden. Glücklicherweise sind die Übungen, die für Schüler möglich sind, nicht auf diese beiden Bereiche beschränkt.

Erst vor zwei Monaten wurde das Buch Designing Video Game Hardware in Verilog von Steven Hugg veröffentlicht, das das Design von Spielschemata auf Verilog beschreibt und dessen Implementierung im FPGA mit dem VGA-Display verbunden ist. Wir sprechen über Videospiele der 1970er und 1980er Jahre mit der Erzeugung eines Scans, eines Bildpuffers und von Sprites. Atari Tischtennis, Weltraumkriege, Tanchiki. Spielautomaten für diese Spiele wurden bereits in den 1970er Jahren auf Mikroschaltungen mit geringem Integrationsgrad montiert, dann auf PAL und Mikrocontrollern, einschließlich Motorola 6502, das in der ersten von Apple verwendet wurde. Steven Haggs Buch beschreibt auch die Hardware-Implementierung von Sprites, die sowjetischen Programmierern und Spielern in der zweiten Hälfte der 1980er Jahre vertraut waren, unter Verwendung des Texas Instruments TMS9918-Videoprozessors, der in japanischen Yamaha MSX-Computern installiert war, die zu dieser Zeit in sowjetische Schulen importiert wurden.

Haggs Buch ist nicht nur nützlich und nicht so sehr für nostalgische Trottel. Dies ist eine hervorragende Reihe von Aufgaben für moderne Schüler und Schüler, die anfangen, Elektronik zu studieren. Da die Aufgaben alt sind, aber hier sind die Technologien - Verilog, Logiksynthese, FPGA-Prototyping - neu, die gleichen, die jetzt im akademischen Jahr 2018-2019 am MIT im Verlauf von 6.111 untersucht werden . Ohne einfache Übungen mit Verilog und FPGA wären die Ingenieure, die jetzt in Santa Clara bei Intel, NVidia und AMD, in Cupertino bei Apple und anderen Elektronikunternehmen sitzen, nicht erwachsen geworden.





Zusammenfassend. Es wäre schön, wenn jetzt eine bestimmte Anzahl von Schul- und Universitätslehrern den Kurs „Wie die Entwickler intelligenter Nanochips arbeiten“ lesen und anschließend interessierte Schüler dorthin schicken würden. Für Schulkinder, die ein Zertifikat für diesen Kurs erhalten, können Sie sie dann zu einem praktischen Seminar mit FPGA-Boards einladen (von denen einige als Preise für erfolgreiche Projekte verteilt werden). Solche Seminare werden derzeit in Zelenograd, Moskau, diskutiert, es besteht auch Interesse an Sotschi, Minsk und anderen Orten. Langfristig wird Russland eine Gemeinschaft von Chipentwicklern aufbauen, die sich im Silicon Valley, Japan, Taiwan, Südkorea und Großbritannien entwickelt hat und nun in Shanghai und anderen Ländern Gestalt annimmt. Dies sollte in jedem großen technisch fortgeschrittenen Land existieren, und in Russland gibt es genug Traditionen in Mathematik, Physik und Ingenieurwesen, um eine solche Entwicklung zu unterstützen.