O que os engenheiros da Apple e da Intel fazem no escritório: um curso on-line voltado para a carreira em microeletrônica moderna para estudantes

Recentemente, foi lançado recentemente um curso on-line gratuito em três partes, intitulado “Como os criadores de nanochips inteligentes” ( 1 , 2 , 3 ). Destina-se à orientação profissional de crianças em idade escolar e é caracterizada por máxima especificidade: é assim que a distribuição do trabalho na equipe de design de microchips se assemelha, aqui o desenvolvimento é construído com base nesses conceitos de design no nível de transferência de registros e esses algoritmos são usados ​​para determinar quanto megahertz o processador projetado funcionará para um computador ou eletrônica automotiva.

Além da orientação teórica de carreira, o curso pode ser usado para selecionar alunos para escolas práticas de verão sobre FPGAs e design de processadores. Essa escola está prevista para este ano em Zelenograd, seu protótipo foi testado na Escola de Verão para Jovens Programadores em Novosibirsk e na Semana de Eletrônica para crianças em idade escolar em Kiev no ano anterior. Você também pode tentar fazer um hackathon em redes neurais implementadas por hardware e implementação de jogos de hardware com saída para um monitor VGA (mais sobre isso mais adiante neste post).



Brevemente sobre o que está incluído em cada um dos três módulos - “Do transistor ao microcircuito”, “O lado lógico do circuito digital” e “O lado físico do circuito digital”.

O curso "Como os criadores de nanochips inteligentes funcionam" começa no zero absoluto, portanto, sua primeira parte, "Do transistor ao microcircuito", repete amplamente outros materiais eletrônicos para crianças em idade escolar que foram criadas nos últimos 50 anos - o que é um transistor, elementos lógicos e binários números e gatilhos. O conceito do flip-flop D dentro do iPhone moderno permanece o mesmo da revista Quantum de 1986. Os transistores diminuíram mil vezes, mas sua essência não mudou.

O único bloco de informações que não estava nos cursos anteriores é sobre as chamadas células padrão, cujas tecnologias são construídas na grande maioria dos modernos microcircuitos especializados. Eles se parecem com isso:



Tente responder à pergunta dos testes abaixo e, se você souber a resposta, poderá pular o primeiro módulo do curso:

Por que as células padrão dos microchips modernos (células padrão ASIC) são chamadas padrão?

1. Eu sei! Isso ocorre porque eles implementam as funções lógicas padrão AND, OR, NOT
2. Elementos de transistor em células padrão têm uma composição química padrão
3. As células padrão operam na velocidade padrão do relógio
4. Eles têm uma altura padrão (dimensão na área), que simplifica o fornecimento de energia a eles e sua conexão automática um com o outro
5. A estrutura das células padrão já foi padronizada por algum comitê de padrões europeu.

A resposta correta é:


Se você não souber, pode passar pelo primeiro módulo do curso - "Do transistor ao microcircuito". Aqui está o seu conteúdo:



Se a maior parte do primeiro módulo do curso “Como os criadores de nanochips inteligentes funcionam” fala sobre as mesmas coisas que estão em textos populares para crianças em idade escolar desde a década de 1970, na segunda parte, “O lado lógico dos circuitos digitais”, entramos na área em que não havia revista Quantum e que, em geral, foi abandonada na educação russa devido ao colapso da URSS. Estamos falando da chamada rota RTL para GDSII, métodos para projetar um plano para colocar bilhões de transistores e trilhas de chips com base na compilação / síntese de código nas linguagens de descrição de hardware Verilog e VHDL. O fracasso nessa área deve ser superado, começando pelo nível de estudantes avançados. Caso contrário, não existem iPhones, robôs ou carros autônomos russos.



Nos últimos anos, a Rússia estimulou a popularização do design de circuitos digitais sintetizando descrições de hardware de idiomas, inclusive devido ao lançamento em russo de um livro gratuito (versão eletrônica) de David Harris e Sarah Harris “Circuitos digitais e arquitetura de computadores” . As postagens em Habré sobre este livro receberam mais de 300 mil visualizações e os downloads sobrecarregaram o site britânico Imagination Technologies. Recentemente, foi lançada uma versão revisada final do tutorial, que pode ser baixada no link no site do MIPS . É verdade que o link funciona apenas no Windows, mas no Mac e no Linux é um bug. Se você tiver problemas, pode fazer o download da mesma versão aqui . Ou compre um livro em papel da DMK Press no Ozone ou no Labyrinth.



O módulo “Lado lógico dos circuitos digitais” do curso “Como os criadores de nanochips inteligentes funcionam” usa o exemplo de um “caracol sorridente” da Harris. Um caracol é uma máquina de estado que reconhece sequências de zeros e uns. O curso compreende o código fonte da máquina “snail” na linguagem de descrição de hardware da Verilog e apresenta os conceitos de diagramas de estado da máquina de estado e diagramas de sinal de tempo. Depois disso, é mostrado um circuito eletrônico sintetizado a partir da descrição, com elementos lógicos e D-triggers para armazenar o estado da máquina de estado “snail”.





Com base no exemplo do “caracol”, as crianças em idade escolar em hackathons podem sintetizar vários “bloqueios de código” para placas FPGA. No exame do curso "Como funcionam os criadores de nanochips inteligentes", há uma pergunta sobre o diagrama de estado da máquina de estado da chamada "sala chinesa" - um exemplo popular do campo da inteligência artificial. Aqui está um diagrama de uma máquina de estado simples para o diálogo com caracteres chineses. Se você der a ele uma combinação de vários hieróglifos “árvore” e “urso”, com os seguintes hieróglifos “ciência”, a máquina emitirá uma sequência de hieróglifos “Sibéria” - este é um exemplo que nasceu durante um seminário para crianças em idade escolar no campus acadêmico de Novosibirsk:



A terceira parte, “O lado físico dos circuitos digitais”, descreve como um gráfico de elementos lógicos sintetizados na segunda parte é apresentado em um microcircuito e transformado em um desenho GDSII que é enviado à fábrica onde os microcircuitos são cozidos. Esta parte também discute algoritmos de posicionamento e rastreamento que serão de interesse dos alunos com orientação matemática. A pesquisa no campo da automação do design de microcircuitos é uma área popular entre ex-vencedores de concursos de matemática.



Veja como é o design do chip após a colocação e o rastreamento usando o Synopsys IC Compiler:



Mas essa elegante estrutura fractal é a árvore de um sinal de relógio dentro do chip, construído para que o sinal de relógio chegue a todos os disparadores D aproximadamente ao mesmo tempo. A largura dos "galhos" desta árvore varia de compostos de metal espessos a finos no microcircuito para satisfazer as limitações físicas dos condutores de cobre no nível nanométrico da tecnologia de semicondutores:



E aqui está uma ilustração do chamado algoritmo de rastreamento de ondas (em inglês Maze Routing - “Procurando por caminhos no labirinto”). Esse algoritmo foi usado nos primeiros programas de automação de design para conectar os elementos lógicos de um circuito. O algoritmo de rastreamento de ondas é tão simples que um aluno do ensino médio capaz pode escrevê-lo em C, Python ou Java. Este é um exercício útil para quem irá escrever algoritmos muito mais complexos no futuro, por exemplo, para futuros chips tridimensionais:



O que os alunos podem fazer depois de dominar os conceitos de design de circuitos digitais no Verilog? Exercícios no simulador ou com luzes piscando na placa FPGA, embora necessários, são bastante irritantes, e o design de processadores simples e calculadoras neurais é interessante apenas para uma pequena porcentagem de estudantes que decidem dominar a arquitetura de computadores. Felizmente, os exercícios possíveis para os alunos não se limitam a essas duas áreas.

Apenas dois meses atrás, foi publicado o livro Designing Hardware de videogame no Verilog, de Steven Hugg, que descreve o design de esquemas de jogos no Verilog, com implementação no FPGA conectado ao monitor VGA. Estamos falando de videogames das décadas de 1970 e 1980, com a geração de um scan, um buffer de quadros, sprites. Atari ping pong, guerras espaciais, tanchiki. As máquinas caça-níqueis para esses jogos foram montadas pela primeira vez na década de 1970 em microcircuitos de pequeno grau de integração, depois em PAL e microcontroladores, incluindo o Motorola 6502, usado pela primeira vez pela Apple. O livro de Steven Hagg também discute a implementação de sprites familiares a programadores e jogadores soviéticos na segunda metade da década de 1980, usando o processador de vídeo Texas Instruments TMS9918, que foi instalado nos computadores Yamaha MSX japoneses importados na época para as escolas soviéticas.

O livro de Hagg é útil não apenas e nem tanto para manobras nostálgicas. Esse é um excelente conjunto de tarefas para estudantes e alunos modernos que estão começando a estudar eletrônica. Como as tarefas são antigas, mas aqui as tecnologias - Verilog, síntese lógica, prototipagem FPGA - são novas, as mesmas que estão sendo estudadas no ano acadêmico 2018-2019 no MIT, no curso de 6.111 . Sem exercícios simples com Verilog e FPGA, os engenheiros que agora estão em Santa Clara na Intel, NVidia e AMD, em Cupertino na Apple e outras empresas eletrônicas não teriam crescido.





Para resumir. Seria bom se agora um certo número de professores de escolas e universidades assistisse ao curso "Como os criadores de nanochips inteligentes funcionam", após o qual eles enviaram estudantes interessados ​​para ele. Em seguida, para as crianças em idade escolar que receberão um certificado deste curso, poderá convidá-las para um seminário prático com conselhos do FPGA (alguns dos quais serão distribuídos como prêmios por projetos bem-sucedidos). Agora, esses seminários estão sendo discutidos em Zelenograd, Moscou. Também há interesse em Sochi, Minsk e outros lugares. A longo prazo, a Rússia criará uma comunidade de desenvolvedores de chips que se desenvolveu no Vale do Silício, Japão, Taiwan, Coréia do Sul, Reino Unido e agora está se formando em Xangai e em outros lugares. Isso é algo que deveria existir em todos os grandes países tecnicamente avançados e, na Rússia, existem tradições suficientes em matemática, física e engenharia para apoiar esse desenvolvimento.