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新闻讯息 全球 IC 设计训练潮流之急速转变及中国的急起直追
 

全球 IC 设计训练潮流之急速转变及中国的急起直追

内容整理自 Altera 大学计划研发团队之技术与市场系列会议讨论内容

目前大学中,必修之数字逻辑设计课程 (Digital Logic Design),大都以目前市面上可取得之书本及教材,配合简易且只有开关按钮、LED、七段显示器之 FPGA  教学板卡, 来做为课程之实验平台。实验内容也因受限于贫乏之硬件功能,只能以如红绿灯控制等题目为难度上限。这个平台以工业界的角度来看, 完全无法培养出可立刻在工业界派上用场的工程师; 以至于目前大部份学校训练出来的学生,几乎都要重头训练起才能担负业界所须的角色。许多知名科技产业皆急呼 「大学毕业生实在不能用啊!」来突显科技人材教育出现的严重断层。

历史的殷鉴不远 – 从 RTL 的革命看起

在 1990 年初之后,在许多北美学校还对 RTL 用于 IC 设计的革命性改变、遑然不觉的情况下,继续在教学上着重如何让学生以人工方式更快速地化简卡诺图;并要求学生以 74 系列 TTL IC,用最基本的逻辑闸 (AND, OR, NOT) 以一整天在面包板上拼排出以数百根线连接的 IC 拼图来完成一个简易十字路口的红绿灯控制电路。在同时,却有许多与工业界接轨良好的学校, 在不畏更换教材的重重困难下, 将 FPGA/CPLD 简易板卡,引入了学校教学。这些幸运的学生,在课堂上只了解到 combinational 与 sequential logic 的差异及卡诺图化简的精神后,再学习一种 RTL 语言, 便可以在几十分钟内, 将红绿灯控制从设计到实作轻松完成。

这些以传统化简卡诺图方式设计数字逻辑电路的学生, 当走出校园时, 突然发现他们要花好多天才能设计出的电路, 却有同样的大学毕业生只要用一两小时就可设计完毕。这些以 RTL 训练出的学生, 能在投入职场的第一天, 就融入工作环境中, 学校训练方法的偏差, 能造成学生能力有着天壤之别的差异。 在那段时期,工业界的工程师也面临到因 RTL Synthesis 的革命所带来巅覆性的冲击-在当时许多有十年以上丰富经验的数字 IC 设计师, 他们能以高超的人工卡诺图化简能力来设计出一个相当复杂的电路; 但在 1990 年后, 这些资深IC 设计师, 却发现许多学校刚毕业的学生,能用很短的时间, 来设计出他们原本要靠长年累积出的能力才能做到的复杂电路。 当时,有许多无法去适应这突如其来的转变之资深人员, 便退出了这块高度竞争的职场。 反之,那些有幸接受学校给予 RTL IC 设计训练的学生, 很多在两三年中便成为了资深设计人员, 填补了空缺。 这个革命, 是由 RTL Synthesis 工具成熟问市而产生的。

另一场 SOC 及多媒体产品革命为学校教学带来了新的挑战

十年之后,另一场革命在数字 IC 设计的世界又开始发生。这十年中,各种原来只在实验室中的标准,摇身成为了市场的当红产品 (USB、 SD/Flash Card、MP3、 DTV、802.11、 home gateway、 Media player、 SOC),所有的 IC 设计公司必需在很短的时间内, 设计出此类市场周期短暂的产品。而学校训练出来的学生,在学校几乎没有任何管道来学习这方面的知识 - 原因一来是没有教材: 学校在 Digital Logic 教学上的教授,无法获得这近十年如雨后春笋般冒出的多媒体及通信产品上的设计实例;二来是没有相对应的开发平台: 工业界所用的高单价平台多只针对少数特定应用,既无全面性的含盖所需,更因其高单价而无法普及至每位学生。

众多企业了解到对学校培养出来的学生, 非常欠缺这方面的训练, 因而无法立刻担当所急需的职务功能。 Altera 在 2005 年便启动了全新的大学计划, 从教材到硬件平台, 全面做革命性的更新, 『为了这项革命性的更新, 我们连教学平台的名字都变了』- Altera 软件技术总监 Dr. Brown 坚定的表示这项决心。 『我们以往用 UP1, UP2, UP3 这一系列的名字来代表 University Program 所用之教学平台; 而我们这次所要用的名字是 DE 系列 (Development and Education Board), 因为我们认为在学校时就要学到工业界所用到的技能, 因此我们要设计出一个能含盖目前业界最多应用的高端开发平台, 并能将此平台运用在学校教学上』。 Dr. Brown 继续说道『我们的目标是要做出有史以来最好的开发平台, 并用最低廉的价钱, 供应给学校』。更重要的是,上面所有的 IP 及参考设计都必需免费 - Altera 大学计划成员在会议中做出这样的结论。

Altera DE2 填补起学校与工业界在数字设计上的鸿沟

八个月后, Altera 全球大学计划用多媒体开发平台 DE2 (注1) 问市了- 目标课程含盖从大二的数字逻辑设计及实验、大三的计算器组织(Computer Architecture)、大四之多媒体、影像及网通专题设计。 最重要的是,这套 DE2 平台是由 Altera 与工业界顶尖多媒体系统设计厂商合作一同开发,在硬件上具有最新各类多媒体影音及传输外围接口,在软件上有着全系列之参考设计及免费 IP 核心,可供学生及教师们立刻设计出各种应用专题。 在教材上,Altera 提供了同时满足学校数字实验及高阶工业界所需之参考设计手册,可供学习。 美国最大空军基地 Wright-Patterson 基地公开评论说: Altera DE2 是他们有史以来用过最好的一套 FPGA 硬软件平台及教材。

Altera DE2 效能剖析 – 以百元美金高速 90nm FPGA 为核心

DE2 板卡上以最新 90 奈米 CycloneTM II EP2C35C6 FPGA 为核心,共有 672 根脚位,所有重要的组件都连接上此 FPGA 的 IO 脚位、 使用者可以控制板上所有的外围功能。 对基础实验方面, DE2 板卡提供了充足数量的指拨及按纽开关、LED、七段显示器、 及16x2 LCD Panel 。 对于进阶的实验上,DE2 有着 SRAM、 SDRAM、 及Flash 内存。对高档工业界多媒体需求, DE2 提供了 24-bit CD 音质的编解碼 IC (Codec) 并有麦克风、line-in、line-out 接口、 高端 TV Decoder,及 SXGA (10-bit) VGA DAC。 这些高阶多媒体功能配合现成提供的完整 IP 及参考设计,让使用者可以轻易做出专业级的影音及视讯上应用。


在通讯与外部连接方面,DE2 有着 USB 2.0 (Host 与 Slave双向)、 10/100 以太网控制器、 红外线传输 SD、 内存界面、与两个 40 pin 的扩充槽、可与许多配套的子板搭配。 目前可搭配的子板包含有:130 万相素 CMOS 数字相机模块卡、 及数字电视 PIP 功能验证平台(注2)

Altera 以速度最快、 价格为普通 C8 两倍的 C6 来做为核心,用意是希望学校能以最好的平台来让学生及教授开发出工业等级的产品,不再受限于二流的平台、 至于在多出的价格上则由 Altera 全部自行吸收。


图1. 2006 年Altera 最新全球大学计划开发平台

完整的参考设计全部免费公开

在软件和教材上,DE2 套件附上原厂最新 Altera Quartus II 及 NIOS II 光盘组,用于大学教学之基础实验指导手册及完整 Lab 范例,与所有工业界一流的设计实例-高画质音效电视盒、 USB 绘图板、 130 万画素数字相机平台、 网络封包收发、 SD卡音乐拨放器等多种参考设计。 最重要的是,DE2 以业界从所未有的开放胸襟, 将许多珍贵的 IP 完全公开让学校能快速建立完整教学环境。 以因应学生毕业后面临业界快速变化的需求。

从 DE2 的快速铺开来看全球化的竞争与中国的 急起直追

2006 年初、 美国电机电子名校 University of Michigan Ann Arbor 的数字IC实验室里, 设置了全新数十套 Altera 最新的 DE2 开发平台; 同时, 麻州大学、 加拿大名校多伦多、 与滑铁庐大学等每个学校数字逻辑实验室中, 也都悄悄全部换上数十套至百套的 DE2开发平台。让大学部学生能以一人一机方式, 以Altera 撰写的教材, 从事最新的IC设计教学。(注3)

同样的情形也发生在地球对面的中国众多名校里: 有中国MIT 之称的上海交大,成立了Altera 与上海交大联合实验室, 里面购置了 70 套 DE2 平台供大学及研究所 IC 设计教学; 桂林电子科大与北京航天大学也各购置 70 套 DE2 来成立新的数字 IC 实验室, 与北美同样以一人一机方式, 用同样的一套教材及硬件, 来教育中国未来的顶尖IC 设计工程师。

相比起众多欧美名校快速地导入此套 DE2 教材, 中国的许多重点高校在导入此套国外最新设备时, 更有着另世界刮目相看的魄力与决心。 上海交大主持 Altera 与 Philips 创新实验室的张志刚博士在与美国媒体采访其新成立拥有近百套 Altera DE2 的大型实验中心时, 便说道『我们拥有着13亿人口挑出来的菁英学生、 我要给他们最好的实验设备及全套与工业界同步的完整硬软件平台、使这些学生能与工业界完全接轨、 拥有一流的设计能力, 为中国的 IC 设计产业迈向世界第一做好准备』。 

注(1). Altera DE2 平台原厂网站: 请参阅 DE2 Education & Development Boards .

注(2). 130万相素数字相机平台模块及DTV PIP验证扩充平台相关信息, 请参阅 Altera DE2 设计及生产厂商友晶科技网站.

註 (3). 全美電機系排名前五名- 密西根州大安亞伯分校,大一學生的期末專題上台演講及示範影片

 

 
 

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