Якщо давно хотіли розібратися з таймінгами в ASIC/FPGA, ця серія дописів на каналі ddlab для вас)

Слава Україні!
Майже рік тому я вже згадував курс по цифровому дизайну та архітектурі комп’ютера Onur Mutlu в університеті ETH Zurich: https://t.me/ddlab_ua/40. Це один з найкращих курсів по цифровій схемотехніці, що розміщений у загальному доступі і має всі відкриті матеріали. Подивимось на цей курс вже в новій ітерації.
У цьому сезоні 2023-2024 цей курс читав Frank K. Gurkaynak (про нього самого трохи згодом), оскільки професор Onur Mutlu взяв собі sabbatical.
Кардинально курс не відрізнявся від попередніх ітерацій і заснований на підручнику Харріс і Харріс «Цифрова схемотехніка і архітектура комп’ютера» з використанням оригінальних слайдів, але з прикладами систем та коментарями самого професора Onur Mutlu. На YouTube іде пряма трансляція лекцій і паралельно видно Frank K. Gurkaynak у дошки і коментарі в чаті. Загалом 27 лекцій, що покриває повністю весь підручник Харрісів.
До курсу у відкритому доступі на сторінці з курсами (https://safari.ethz.ch/courses/) є всі матеріали для навчання – зліва у розділі Materails: слайди до лекцій, додатковий список літератури (є що почитати), домашні завдання (цього року не було, а в попередніх роках були), завдання на лабораторні роботи, екзаменаційні питання https://safari.ethz.ch/ddca/spring2024/doku.php. Якщо ви викладач, то дуже раджу подивитись матеріали попередніх років, оскільки домашні завдання та деякі інші матеріали за роки викладання змінювались – як збільшувались так і зменшувались.
Для більшого заглиблення в сучасний стан комп’ютерної архітектури можна дивитись ще один курс професора Onur Mutlu - Seminar in Computer Architecture (https://safari.ethz.ch/architecture_seminar/spring2024/doku.php?id=start). Це розмова про сучасні наукові дослідження по архітектурі і тут вже не вистачить просто подивитись відео. Тут треба читати статті і заглиблюватись в архітектурні рішення для комп’ютерних систем різного типу – від вбудованих і мобільних до великих дата-центрів. І знову, доступні записи та матеріали попередніх років, тож є що подивитись та вивчити.
А тепер про Frank K. Gurkaynak. Frank керівник дизайн-центру мікроелектроніки в ETH Zurich. Він вже багато років займається розробкою мікросхем. Список мікросхем, які розробляв Frank можна знайти на його сторінці: http://asic.ethz.ch/cg/authors/Frank_K._Gurkaynak.html. Паралельно він читає в ETH Zurich курс VLSI 1. Тобто перший курс по розробці цифрових мікросхем. І саме цей курс буде використовуватись у Київській школі економіки на магістерській програмі з мікроелектроніки з вересня місяця. Але про це вже іншим разом.
#UniversityCourse

Шикарний огляд відкритих курсів з архітектури обчислювальних систем від Політеху Цюріху

Федоров в кінці 2023 року оголосив про грандіозні плани на розвиток проектування і виробництва мікрочіпів в Україні. Ми на цьому трохи знаємось, тому вирішили зробити кілька публікацій з навчальними матеріалами для людей зацікавлених у вивченні напрямку.

У цьому дописі викладемо інформацію про мікрочіпи загального характеру.

Мікрочіпи можуть виготовлятися у вигляді мікроконтролерів, або структурно складніших систем-на-кристалі, які включають процесори з відомими архітектурами (ARM, x86, MIPS, SPARC, RISC-V, тощо) та периферійні блоки різного рівня складності для забезпечення взаємодії процесора із зовнішнім світом (порти введення-виведення, контролери DDR памʼяті, інтерфейсів передачі даних, диску, бездротових інтерфейсів, криптографічних операцій, графіки і багато інших). Такі мікроконтролери і системи-на-кристалі є основою сучасної електроніки - від сім карт, тостерів, іншої побутової техніки, до мобільних телефонів, супутників, медичної і військової техніки. Також мікрочіпи можуть виготовлятися у вигляді спеціалізованих мікросхем (ASIC - Application Specific Integrated Circuit) заточені кожна під виконання специфічної задачі (наприклад, цифровий сенсор температури, електронний компас, інтегральний радар, тощо). Часто в ASIC алгоритм обробки даних реалізується не за допомогою програми для мікропроцесору, а у вигляді цифрової схеми, що значно підвищує продуктивність обчислень. А ще чіпи можуть розроблятися для реконфігурованих логічних матриць типу FPGA (Field Programmeble Gate Array), що актуально для викопродуктивних серверних обчислювачів зі змінною архітектурою та для військової техніки. Цикли проектування для ASIC та FPGA з одного боку відрізняються (кухня для ASIC суттєво складніша), а з іншого боку мають багато спільного.

Проектування мікрочіпів комплексне. Це може бути опис цифрової логіки за допомогою мов опису апаратури (ніхто ж при здоровому глузді не буде малювати схему із мільярдів транзисторів в схемному редакторі). Такий напрямок називається RTL digital design (RTL - Register Transfer Level), або цифровий дизайн на рівні регістрових передач, українською мовою. Інший напрямок - верифікація коректності роботи розробленого RTL дизайну. Діяльність аналогічна до QA в класичному софті, але загалом складніше організована, оскільки через значну вартість виробництва ціна помилки при проектуванні чіпів суттєво вища ніж у випадку софта. Роботи по RTL Design та Verification часто називають Digital Design Frontend. Натомість під Digital Design Backend мають на увазі питання переважно автоматизованого створення топології чіпа (layout design), перевірки на відповідність вимогам фабрики з виробництва, проектування стандартних комірок (standard cells) на базі яких створюється топологія. Нарешті є діяльність пов'язана з тестуванням щойно виготовлених чіпів для виявлення дефектів виробництва, а також корпусуванням мікросхем. За лаштунками цього всього ховається незвіданий світ розробки технологічних процесів і технологічного обладнання для фабрик із виробництва чіпів.

Для знайомства з загальними питаннями проектування чіпів радимо відео, яке робили років 7 тому для абітурієнтів (однак інфа там досі переважно актуальна): https://www.youtube.com/watch?v=VTaD99NnerI

А також відео з описом технологічних операцій виготовлення мікросхем, яке ми переклали українською мовою (відео теж не нове, але більшість технологічних операцій не змінилися з часів створення оригіналу відео, хіба стали складнішими): https://www.youtube.com/watch?v=5di1Ec6n5CQ

На цьому загальна частина все) Пишіть в коментах чи цікавить інформація на цю тему, або якщо є якісь окремі теми з напрямку, про які хотілось би почитати.

Всі знають про дешевий приймач RTL-SDR, вартістю умовні 25$. А як щодо недорогих SDR передавачів? Нижче розглянемо пару варіантів:

1. osmo-fl2k

Автор використовує USB 3.0 -> VGA перетворювач на базі чіпа FL2000, як 8-бітний 3-канальний DAC з Fs=157 MS/s на канал. Такий перетворювач коштує 5-15$. В ефір видаються як основна гармоніка, так і стрші гармоніки, тому для практичного застосування необхідно використовувати фільтри. В спектрі випромінюваного сигналу присутні незначні спотворення через Zero Order Hold ефект DAC. Тим не менш автор демонструє успішну передачу довільного потоку I/Q, зокрема передачу WBFM, DAB, DVB-T, GPS, GSM, LTE, UMTS, зокрема GPS/GSM спуфінг

Загальний опис: https://osmocom.org/projects/osmo-fl2k/wiki

Відео презентація: https://www.youtube.com/watch?v=GryXF92C-Ds

Репозиторій: https://github.com/osmocom/osmo-fl2k

Приклади використання: https://github.com/steve-m/fl2k-examples

1. NEXMON

Автори розреверсили WiFi-BT чіпи Broadcom, що викорстовуються в Raspberry-Pi 3+/Zero та у мобільних телефонах (Galaxy, Nexus, Pixel) і розробили патчі firmware, що дозволяють використовувати чіпи Broadcom для передачі в ефір довільного потоку I/Q на частотах 2.4 та 5 ГГц. Зокрема є приклади реалізації Wi-Fi jammer, WiFi Monitor Mode, WiFi Frame Injection

Репозиторій: https://github.com/seemoo-lab/nexmon

Наведені приклади гарно підходять як для хоббі проектів, так і для студентських проектів (курсові-дипломи), оскільки мають значний простір для досліджень, покращень і нестандарнтного застосування

osmocom.org

Osmo-fl2k - osmo-fl2k - Open Source Mobile Communications

Redmine