Apa yang dilakukan para insinyur di Apple dan Intel di kantor: kursus online berorientasi karier dalam mikroelektronika modern untuk siswa

Baru-baru ini, kursus online gratis di tiga bagian berjudul "Bagaimana pencipta nanochip pintar bekerja" baru-baru ini dirilis ( 1 , 2 , 3 ). Ini dimaksudkan untuk bimbingan karir anak sekolah dan ditandai dengan spesifisitas maksimum: ini adalah bagaimana distribusi pekerjaan dalam tim desain microchip terlihat, di sini pengembangannya didasarkan pada konsep desain seperti itu pada level transfer register, dan algoritma ini digunakan untuk menentukan berapa banyak megahertz prosesor yang dirancang untuk komputer akan bekerja elektronik otomotif.

Selain bimbingan karir teoretis, kursus ini dapat digunakan untuk memilih siswa untuk sekolah musim panas praktis tentang FPGA dan desain prosesor. Sekolah semacam itu direncanakan tahun ini di Zelenograd, prototipe-nya diuji di Summer School for Young Programer di Novosibirsk dan pada Electronics Week untuk anak sekolah di Kiev tahun sebelumnya. Anda juga dapat mencoba membuat hackathon pada jaringan saraf yang diimplementasikan perangkat keras dan implementasi perangkat keras dari game dengan output ke tampilan VGA (lebih lanjut tentang itu nanti di posting).



Secara singkat tentang apa yang termasuk dalam masing-masing tiga modul - "Dari transistor ke sirkuit mikro", "Sisi logis dari sirkuit digital" dan "Sisi fisik dari sirkuit digital".

Kursus "Bagaimana cara kerja pembuat nanochip pintar" dimulai dari nol absolut, oleh karena itu bagian pertamanya, "Dari transistor ke sirkuit mikro," mengulangi sebagian besar bahan elektronik lainnya untuk anak sekolah yang telah dibuat dalam 50 tahun terakhir - apa itu transistor, elemen logika, biner angka dan pemicu. Konsep D-flip-flop di dalam iPhone modern tetap sama seperti di majalah Quantum 1986. Transistor berkurang seribu kali, tetapi esensinya tidak berubah.

Satu-satunya blok informasi yang tidak ada dalam kursus sebelumnya adalah tentang apa yang disebut sel standar, tentang teknologi di mana sebagian besar sirkuit mikro khusus modern dibangun. Mereka terlihat seperti ini:



Cobalah untuk menjawab pertanyaan dari pengujian di bawah ini, dan jika Anda tahu jawabannya, maka Anda dapat melewati modul pertama dari kursus:

Mengapa sel standar microchip modern (sel standar ASIC) disebut standar?

1. Oh saya tahu! Ini karena mereka menerapkan fungsi logis standar DAN, ATAU, TIDAK
2. Unsur transistor dalam sel standar memiliki komposisi kimia standar
3. Sel standar beroperasi pada kecepatan jam standar
4. Mereka memiliki ketinggian standar (dimensi pada area), yang menyederhanakan pasokan daya kepada mereka dan koneksi otomatis satu sama lain
5. Struktur sel standar pernah distandarisasi oleh beberapa komite standar Eropa.

Jawaban yang benar adalah:


Jika Anda tidak tahu, Anda dapat membaca modul pertama dari kursus - "Dari transistor ke sirkuit mikro." Berikut isinya:



Jika sebagian besar modul pertama dari kursus "Bagaimana cara kerja pembuat nanochip pintar" berbicara tentang hal-hal yang sama yang telah ada dalam teks populer untuk anak sekolah sejak tahun 1970-an, maka di bagian kedua, "Sisi logis sirkuit digital", kita memasuki area di mana tidak ada majalah Quantum, dan yang, secara umum, ditinggalkan dalam pendidikan Rusia karena runtuhnya Uni Soviet. Kita berbicara tentang apa yang disebut rute RTL-ke-GDSII, metode untuk merancang rencana penempatan miliaran transistor dan jalur chip berdasarkan kompilasi / sintesis kode dalam bahasa deskripsi perangkat keras Verilog dan VHDL. Kegagalan dalam bidang ini harus diatasi, dimulai dengan tingkat siswa tingkat lanjut. Kalau tidak, tidak ada iPhone, robot, atau mobil yang bisa mengemudi sendiri.



Dalam beberapa tahun terakhir, Rusia telah mendorong dipopulerkannya desain sirkuit digital dengan mensintesis deskripsi perangkat keras dari bahasa, termasuk karena dikeluarkannya buku teks (versi elektronik) dalam bahasa Rusia oleh David Harris dan Sarah Harris “Sirkuit digital dan arsitektur komputer” . Kiriman di Habré tentang buku teks ini menerima lebih dari 300 ribu tampilan, dan unduhan dua kali membuat situs Inggris Imagination Technologies kewalahan. Baru-baru ini versi revisi terakhir dari tutorial telah dirilis, yang dapat Anda unduh dari tautan dari situs web MIPS . Benar, tautannya hanya bekerja di bawah Windows, tetapi di Mac dan di Linux itu buggy. Jika Anda memiliki masalah dengan itu, Anda dapat mengunduh versi yang sama dari sini . Atau beli buku kertas dari DMK Press di Ozone atau di Labyrinth.



Modul “Logical side of digital circuitry” kursus “Bagaimana pencipta smart nanochips bekerja” menggunakan contoh “siput tersenyum” dari Harris. Siput adalah mesin negara yang mengenali urutan nol dan satu. Kursus ini memahami kode sumber mesin "siput" dalam bahasa deskripsi perangkat keras Verilog, dan memperkenalkan konsep diagram keadaan mesin negara dan diagram sinyal waktu. Setelah ini, sebuah sirkuit elektronik yang disintesis dari deskripsi diperlihatkan, dengan elemen-elemen logika dan dan pemicu-D untuk menyimpan keadaan mesin keadaan "siput".





Berdasarkan contoh "siput", anak sekolah di hackathons dapat mensintesis berbagai "kunci kode" untuk kartu FPGA. Dalam ujian untuk kursus "Bagaimana cara kerja pembuat nanochip pintar" ada pertanyaan tentang diagram keadaan mesin negara dari apa yang disebut "ruang Cina" - contoh populer dari bidang kecerdasan buatan. Berikut adalah diagram mesin negara sederhana untuk dialog dengan karakter Cina. Jika Anda memberinya kombinasi beberapa hieroglif "pohon" dan "beruang", dengan hieroglif "sains" berikut, mesin akan memberikan urutan hieroglif "Siberia" - ini adalah contoh yang lahir selama seminar untuk anak sekolah di Novosibirsk Academgorodok:



Bagian ketiga, "Sisi Fisik Sirkuit Digital", menjelaskan bagaimana grafik elemen logika yang disintesis di bagian kedua diletakkan pada sirkuit mikro dan berubah menjadi gambar GDSII yang dikirim ke pabrik tempat sirkuit mikro dipanggang. Bagian ini juga membahas penempatan dan penelusuran algoritma yang akan menarik bagi siswa yang berorientasi matematis. Penelitian di bidang otomatisasi merancang sirkuit mikro adalah bidang yang populer di kalangan mantan pemenang kontes matematika.



Inilah yang tampak seperti desain chip setelah penempatan dan pelacakan menggunakan Synopsys IC Compiler:



Tetapi struktur fraktal yang elegan ini adalah pohon dari sinyal clock di dalam chip, dibangun sehingga sinyal clock tiba pada semua pemicu-D pada waktu yang hampir bersamaan. Lebar "cabang" pohon ini bervariasi dari senyawa logam tebal hingga tipis pada sirkuit mikro untuk memenuhi keterbatasan fisik konduktor tembaga pada tingkat nanometer teknologi semikonduktor:



Dan di sini adalah ilustrasi dari algoritma penelusuran gelombang (dalam Bahasa Inggris Maze Routing - “Mencari jalur di labirin”). Algoritma ini digunakan dalam program otomasi desain awal untuk menghubungkan elemen logis dari suatu rangkaian. Algoritma penelusuran gelombang sangat sederhana sehingga siswa sekolah menengah yang cakap dapat menulisnya dalam C, Python, atau Java. Ini adalah latihan yang berguna bagi mereka yang akan menulis algoritma yang jauh lebih kompleks di masa depan, misalnya, untuk chip tiga dimensi di masa depan:



Apa yang dapat siswa lakukan setelah menguasai konsep merancang sirkuit digital di Verilog? Latihan di simulator atau dengan lampu berkedip di papan FPGA, meskipun perlu, agak mengganggu, dan desain prosesor sederhana dan kalkulator saraf menarik hanya untuk sebagian kecil siswa yang memutuskan untuk menguasai arsitektur komputer. Untungnya, latihan yang memungkinkan bagi siswa tidak terbatas pada kedua bidang ini.

Hanya dua bulan yang lalu, buku Merancang Video Game Hardware di Verilog oleh Steven Hugg diterbitkan, yang menggambarkan desain skema game di Verilog, dengan implementasi di FPGA yang terhubung ke layar VGA. Kita berbicara tentang video game tahun 1970-an dan 1980-an, dengan generasi pemindaian, penyangga bingkai, dan sprite. Atari ping pong, perang ruang angkasa, tanchiki. Mesin slot untuk game-game ini pertama kali dirakit kembali pada tahun 1970-an di sirkuit mikro dengan tingkat integrasi kecil, kemudian pada PAL dan mikrokontroler, termasuk Motorola 6502, yang digunakan pertama kali oleh Apple. Buku Steven Hagg juga membahas implementasi perangkat keras dari sprite yang dikenal oleh programmer dan gamer Soviet di paruh kedua 1980-an menggunakan prosesor video Texas Instruments TMS9918, yang dipasang di komputer Jepang Yamaha MSX yang diimpor pada waktu itu ke sekolah-sekolah Soviet.

Buku Hagg bermanfaat tidak hanya dan tidak terlalu banyak untuk engkol nostalgia. Ini adalah serangkaian tugas yang sangat baik untuk siswa dan anak sekolah modern yang mulai belajar elektronik. Karena tugas-tugasnya sudah tua, tetapi di sini teknologi - Verilog, sintesis logika, prototipe FPGA - adalah baru, yang sama yang sekarang sedang dipelajari pada tahun akademik 2018-2019 di MIT selama 6,111 . Tanpa latihan sederhana dengan Verilog dan FPGA, para insinyur yang sekarang duduk di Santa Clara di Intel, NVidia dan AMD, di Cupertino di Apple dan perusahaan elektronik lainnya tidak akan tumbuh.





Untuk meringkas. Alangkah baiknya jika sekarang sejumlah guru sekolah dan universitas akan memeriksa kursus "Bagaimana pencipta nanochip pintar bekerja", setelah itu mereka akan mengirim siswa yang tertarik ke sana. Kemudian, untuk anak sekolah yang akan menerima sertifikat kursus ini, Anda dapat mengundang mereka ke seminar praktis dengan papan FPGA (beberapa di antaranya akan dibagikan sebagai hadiah untuk proyek yang berhasil). Seminar seperti itu sekarang sedang dibahas di Zelenograd, Moskow, ada juga minat di Sochi, Minsk dan tempat-tempat lain. Dalam jangka panjang, Rusia akan menumbuhkan komunitas pengembang chip yang telah berkembang di Lembah Silikon, Jepang, Taiwan, Korea Selatan, Inggris, dan sekarang mulai terbentuk di Shanghai dan tempat-tempat lain. Ini adalah sesuatu yang harus ada di setiap negara maju yang besar secara teknis, dan di Rusia ada cukup tradisi dalam matematika, fisika, dan teknik untuk mendukung perkembangan semacam itu.