ハリスとハリスを学んだ後のブラックマジックプロセッサエンジニアリングの次のステップ

最近、 ロシア語のハリスとハリスの本の別の印刷版がリリースされました 。 これは、AppleやIntelなどの企業によるマイクロチップの設計方法に関する幅広い教育プログラムです（ハードウェア記述言語を使用したレジスタ転送のレベルでの設計手法）。 この印刷版の前に、同じ本の無料の電子版がリリースされ、バイラルになりました-そのダウンロードは英国のウェブサイトImagination Technologiesによって2回圧倒され、HabréとGytimesの本に関する投稿は300,000ビュー（1、2、3、4、5）を収集しました。 本をロシア語に翻訳した歴史も非常に有益です-それは愛好家のグループの公開プロジェクトとして始まりました：ロシアとウクライナの大学の教師、ならびにシリコンバレー（MIPS、AMD、Synopsys、Apple、NVidia ...）とロシアの両方の会社のロシアの従業員（NIIISI、ICST、モジュール...）。 ロシア語で最初に印刷された出版物が発表されたとき、それはかなり早く買収され、白黒であると不満を言いました。 したがって、次の印刷はカラーで、品質が向上しました。



今、疑問が生じます：さて、あなたは無料で本を購入またはダウンロードし、デジタル回路の基本、VerilogおよびVHDLハードウェア記述言語を理解し、アセンブリ言語の味を習得し、シンプルなパイプラインマイクロプロセッサを編成する方法を理解し、それがすべて周辺機器および組み込みに適合する方法を見つけましたプログラミングによって。 次に何をする？







写真は、モスクワ物理学技術研究所のサムスンの教育プログラムの従業員であるタチアナ・ボルコバを示しています



まず、H＆Hの後にさらに学ぶと、チップを設計する会社の1つで興味深い仕事を得ることができます。 たとえば、 バイカルエレクトロニクスでは 、工作機械、ガスパイプラインコントローラー、通信デバイス、 タボルガターミナル用のプロセッサーを開発しています。







バイカルTマイクロプロセッサとパフォーマンステストに 基づいた組み込みコンピューターに関する最近の記事を次に示します 。 開発者向けのボードを持つバイカル居住者。 Linuxは彼らのために働きます：







もともと宇宙に従事していたZelenogradの会社ELVIS-NeoTechで働くこともできますが、現在はパターン認識を備えたスマートカメラ用チップの商業市場にますます拡大しています。 製品の名前「オーウェル2000」は、 ジョージオーウェルの小説を誰も知らない場合は、写真の左側にあるヤロスラフ・ペトリコビッチ社長によって発明されました。







エルビスのエンジニアは、独自のビデオ処理ユニットでELISEチップを設計し、カメラを取り付けて何かを認識できるような開発者向けのボードを作成しました。







NIISI RASの非常に興味深いグループに行くこともできます。彼らはKOMDIV-64マイクロプロセッサを設計しました。 プロジェクトマネージャーのビデオをご覧ください。 KOMDIV-64は、アーキテクチャ（コマンドシステム）でMIPS64と互換性がありますが、ロシアで設計されたスーパースカラーパイプラインの独自のマイクロアーキテクチャと独自のベクターコプロセッサを備えています。 カナダ極地から南アリゾナまで、極端な条件で動作できるKOMDIV-64プロセッサ上のコンピューターの例を次に示します 。







もちろん、Elbrus MCSTの開発者、統合マイクロプロセッサチップNIIMA Progressの開発者、マイクロコントローラMilander 、スマートカードKM-211のチップ、デジタル信号処理モジュールのチップ、ベルギーの会社Melexisのキエフ支店、および他の企業興味深い仕事に従事し、実りあるキャリアを築くことができます。



しかし、チップ開発者として働く前に、入門書ハリス＆ハリスはいくつかの作業スキルを構築する必要があります。 このために、大学（ゼレノグラードMIET、モスクワMEPhI、モスクワ物理技術研究所、モスクワ州立大学、サンクトペテルブルクITMO、キエフKPIなど）での勉強、書籍、オンラインコース、オープンソースプロジェクトによる独学があります。



本から始めましょう。 マイクロアーキテクチャ（パイプラインの構造とプロセッサの論理ブロック）に興味がある場合は、これらの本を試すことができます。 マイクロアーキテクトの練習の中でお気に入りはシェン・リパスティですが、真ん中の青い本は、たくさん読むのが好きではない人にはもっと好きかもしれません（短い）：







プリンストンの教師のトレーナーに関するコースもあります：







学校で数学のクラスや数学の競技会に行った場合は、算術演算用のハードウェアの領域を深く掘り下げることができます。列の数値の単純な加算や乗算にも、パイプラインを使用してスループットを向上させる実装が多数あります。また、定数を使用した操作など、特殊なケースのためのあらゆる種類のトリック。 21世紀の今でも、この分野で突破口と感情的な紛争が発生しています。たとえば、ご覧ください。 昨年のバークレーの魂の数学者のうめき声 "ジョン・L・グスタフソンの「エラーの終わり-Unum Computation」と彼の実数による計算への根本的なアプローチ」 これがコンピューター演算に関する優れた本の1つです。







しかし、マイクロアーキテクチャーまたは算術ブロックさえ実装するには、ツールが必要です。 昔々、画面上でマウスを使ってデジタル回路が描かれていましたが、過去25年でデザインはほとんどの場合Verilog（VHDL）で記述され、その後特別なプログラム（論理合成）がデザインをワイヤと論理プリミティブのグラフ、別のプログラム（静的タイミング解析）は、設計者にスピードバジェットに適合するかどうかを伝え、3番目のプログラム（配置配線）はこの設計をチップのサイトに配置します。 デザインがすべての段階を通過するとき：ベリロコーディング、デバッグ、検証、合成、静的タイミング解析、フロアプラン、配置配線、寄生抽出など -工場に送信されるGDSIIというファイルが判明し、工場がチップを焼きます。



数日でVerilogとVHDLが何であるかを理解したい場合は、これらの本を読むことができますが、一般的に言えば、PLLテーマ（クロック信号を操作するためのブロック）を除いて、それらはすべてHarris＆Harrisにあります頻度）。 一方、これらの本はPLLについて十分にカバーされていないので、それらが非常に薄いために言及します。







Verilogについて、その起源を本当に知っていた人々から読みたい場合は、3冊の本があります。 1つ目はCのKernighan-Ritchie、2つ目はC ++のStrastrupに似ています（3つ目はよく知られているコンサルタントの第一人者によって書かれました。







ここで、Verilogは回路を記述および合成するための言語であるだけでなく、テストを記述するためのプログラミング言語でもあると言わなければなりません。 一部の企業では、レジスタ転送レベルでベリルにコードを書くエンジニアごとに、検証のためにコードを書く3人のエンジニアがいます。 機能検証は通常、特別な言語、モデリングを使用した方法論、回路特性の自動証明などを備えた別個の技術です。



SystemVerilogでテスト環境を作成する検証エンジニアのキャリアは、たとえば、プログラムの作成からJavaへのキャリアを変更したい経験豊富なプログラマーにとって魅力的です。 SystemVerilogには、オブジェクト指向およびシミュレートされたマルチスレッドプログラミングの要素があります。 アクティビティの本質は、ハードウェア設計の強度をテストするフレームワークを作成し、ランダムなトランザクションでそれらを攻撃し、興味深いシナリオのカバレッジ（機能カバレッジ）を考慮に入れることです。



左下の写真で最高のSystemVerilogブック。 右側には、テスト環境の記述に関するかなり古い本があり、SystemVerilog用に更新されています。 この本は退屈ですが、電車などの公共交通機関で1日30分間定期的に読んで、ベリログの前世代のユーザーの経験を引き継ぐのに適しています。



センターでは、ユニバーサルデザインメトロジー（UVM）の基本的な紹介を含む、非常にシンプルで薄い本をもたらしました。 UVMは、ビルディングブロックレベルのテストツール用のSystemVerilogのクラスライブラリです。 UVM方法論は、経営コンサルタントが約束するほど普遍的ではありませんが、ほぼすべての検証エンジニアがそれについてアイデアを持っていると便利です。 このUVMブックは悪くありませんが、パイプライントランザクションにドライバーを割り当てる方法については説明していません（これは多くの場合必要です）。 週末にこの本を読んで、別の本に渡します-それは本当に短いです。 UVMについての長文の本はありません（すべて悪い）ので、標準を読んで同僚と話すことをお勧めします。 UVMを使用する場合は、常識を使用することをお勧めします。そうしないと、実際の作業の代わりに、UVMによって課されるかなり硬い構造をバイパスする方法を無限に探し始めます。



ELVIS-NeoTech + MIETの従業員とRUSNANOのeNano /教育部門によって作成された機能検証に関するコースもあります。







人々がデジタル回路の研究について考える最初の質問の1つです。まあ、私は自分のプロセッサを設計したとしましょう。しかし、工場で典型的な市販のマイクロ回路を注文すると100万ドル以上かかるので、どうすればそれを生産できますか？ 答えはFPGA / FPGAの使用です-これらはセルの配列である特別な超小型回路であり、その論理機能、およびそれらの間の接続は、製造後に何度も変更できます。 これらは従来の専用チップよりもはるかに高価で低速ですが、生産のための「頭金」はありません。 現在、FPGAを搭載した学生用ボードが100ドル未満であるため、学生や大学は実験のために多額の資金を配置する必要がなくなりました。 FPGAの操作の基礎を学ぶことは非常に簡単です（たとえば、 FPGAボードのロシアのメーカーのWebサイトの記事を参照 ）が、より高度な使用では、FPGAの使用の技術的な詳細とアプローチと方法論の両方について多くの疑問が生じます。 就寝前に本を読むことをお勧めします：







論理レベルでの回路の開発に加えて、物理レベルもあります-さまざまな種類の物理的影響を考慮した、マイクロサーキットサイトでの論理要素の配置とそれらのトラックの接続。 そのような本でそれについて読むことができます。 左側の図は、設計用ソフトウェアのユーザーの観点からプロセスを説明しています。 この本は、デジタル回路およびコンピューターアーキテクチャのハリスの1人であるデビッドハリスによって書かれました。 右側の本は、設計自動化のためにソフトウェアで使用されるアルゴリズムに関するものです。







2冊目の本の共著者の1人は、私たちの同胞イゴール・マルコフです 。彼はアメリカのエレクトロニクスの物理設計の自動化に関してアメリカで広く認められた権威になりました。 イゴール・マルコフはモスクワ州立大学にも来て、そこでセミナーを開催し、この分野でアルゴリズム的に興味深い研究プロジェクトに耳マフラーが参加するのを助けました。 これらのワークショップのスライドは次のとおりです。







しかし、デザイナーのためにソフトウェアで使用されるアルゴリズムを詳しく調べたくないが、自分自身でデザイナーになりたいと同時に、アイデアから工場までの全体像を把握したい場合は、RUSNANOの教育部門の教育プログラムを試すことができます。 このコースは、 特殊ナノスケール集積回路と呼ばれます。 以下は、コースで議論されている内容を示すスライドの選択です。 MIET + eNano教師からの同様のコースと、 関連する別のコースもあります。







上記の本の山は、エレクトロニクス設計の分野が非常に複雑であるという印象を与えるかもしれません。 これは完全に真実ではありません。複雑なタスクがありますが、5年生でも基本的な方法を学ぶことができます。 これは誇張ではありません：今年7月にノボシビルスクの若いプログラマーのサマースクールでVerilogとFPGAを使い始めた上級5年生のVyacheslavのビデオです：







この写真では、8年生のDaria（右）が最も単純なプロセッサ（デコーダとALUを変更）に命令を追加し、それを合成し、アセンブラでテストを作成し、FPGAボードでプロセッサを起動しました。







ダリアがノボシビルスクで修正したコードはこちらです。 このプロジェクトで使用されるトレーニングプロセッサは、 スタニスラフゼル ニオ スパ ルフのschoolMIPSです。 schoolMIPSは、基本的に考えられる最も簡単なプロセッサです。 これはシングルサイクルで、フィボナッチ数の計算などのプログラムを実行するのに十分なコマンドを実行します。 彼の一般的な概要は次のとおりです。







Stanislav Zhelnioは、Harris＆Harrisの例に基づいてschoolMIPSプロセッサの記述を開始し、HSE MIEM教授Alexander Romanovを支援し始めました。彼はこのプロセッサをコースで使用したいと考えています。 さらに、スタニスラフは、MIPS microAptiv UP産業用プロセッサコアに基づいたMIPSfpga教育プロジェクトにいくつかの重要な改善を加えました 。



schoolMIPSとMIPSfpgaはどちらも、Harris＆Harrisを学んだ後の次のステップとして使用できます。 これらは、学生プロジェクトのチェーンの基礎になります。



schoolMIPSは、パイプライン処理、メモリ処理、キャッシュ、長いパイプライン、スーパースカラリティ、さらにはCDC 6600スタイルのスコアボードとThomasuloアルゴリズムを段階的に増やして追加できます。



MIPSfpgaは、トランジション予測を使用して実際のプログラムのパフォーマンスを向上させたり、数学的なコプロセッサーを追加したり、キャッシュモジュールを書き換えてMESIアルゴリズムに基づくコヒーレントキャッシュを備えたマルチコアシステムを構築する実験に使用できます。



Lamp KPI 研究所の Evgeny Korotky率いるキエフの学生Oleg Plotnikovとして、MIPSfpgaを使用してチップ上にシステムのプロトタイプを構築し、センサーを統合することができます。







このような人気のあるプロジェクトには、キエフ（キエフモヒラアカデミー、モスクワ（HSE-MIEM）、ノボシビルスク（NSTU）の3つのボードのコレクションがあります。手数料はありませんが、これらの場所のいずれかで借りることができます。



キエフモヒラアカデミーのハッカソンの写真は、学生がビデオに示されているFPGAボードを使用し、ハリスとハリスをトレーニングに導入するところです。







無料でダウンロードできるハリスの教科書が十分になく、印刷品質の高い紙のコピーが必要な場合は、インターネットに加えて、モスクワの書誌などの書籍で購入できます。 確かに、彼らはそれをエレクトロニクスの本の中ではなくプログラミングの本の中に置いていますが、実際にはエレクトロニクスとプログラミングの境界にあるので、少なくとも2つの部門に入れることができます。