"Głodni Krzemu" opracowali 32-bitowy mikroprocesor!

"Na PW powstały polskie 32-bitowe i wielordzeniowe mikroprocesory"  donosi serwis PAP Nauka w Polsce. Jest to sukces grupy badaczy z Instytutu Mikroelektroniki i Optoelektroniki WEiTI, która opracowała pierwszy w Polsce  oryginalny i niekomercyjny  32-bitowy mikroprocesor.  Jedną z twarzy tego sukcesu jest dr inż. Krzysztof Marcinek. Zapraszamy do lektury wywiadu z człowiekiem, który otrzymuje zadanie w ramach projektu i przekształca je w osiągnięcie na skalę międzynarodową!

 

Jaka jest geneza prac nad systemami mikroprocesorowymi na WEiTI?

Dr inż. Krzysztof Marcinek: Prace rozpoczęły się w Zakładzie Metod Projektowania w Mikroelektronice, a dokładniej w grupie ADEC (Asic Design and Education Center) kierowanej przez prof. Witolda Pleskacza. Pierwsze prace nad systemami mikroprocesorowymi rozpoczął dr inż. Arkadiusz Łuczyk już w 2004 roku. Prowadził wówczas prace badawczo-rozwojowe na temat swojej własnej implementacji superskalarnej wersji procesora o architekturze MOVE.

Ja natomiast w 2007 roku przyszedłem do profesora na studia magisterskie i pod opieką dra Arkadiusza Łuczyka opracowywałem dwupotokową jednostkę obliczniową z wykorzystaniem procesora LEON 3. Jest to procesor, który powstał dla Europejskiej Agencji Kosmicznej i jest wykorzystywany w przemyśle kosmicznym. To była tematyka mojej pracy magisterskiej. Już na studiach magisterskich fascynowała mnie tematyka mikroprocesorów. Kontynuowałem ją w ramach doktoratu. W roku 2011 zostałem zaangażowany do realizacji projektu NCBiR pt. „Bloki dwusystemowego, scalonego odbiornika sygnałów nawigacji satelitarnej Galileo i GPS w technologii nanometrowej CMOS do dokładnego pozycjonowania obiektów przenośnych”.

 

 

Projekt ten został nagrodzony Polską Nagrodą Innowacyjności 2016…

K.M.: Jest to efekt pracy całego zespołu profesora Witolda Pleskacza. Pracują w nim przede wszystkim pasjonaci. Mówimy o sobie „Głodni Krzemu”. Naszym celem jest realizacja konkretnych projektów, które będą mogły zostać wdrożone. Nie inaczej było w tym przypadku. Bardzo zaangażowani w projekt byli dr inż. Tomasz Borejko i dr inż. Krzysztof Siwiec. Układ odbiornika nawigacji satelitarnej wymaga systemu mikroprocesorowego. Moim zadaniem było stworzenie takiego wyspecjalizowanego systemu. (fot. dr inż. Krzysztof Marcinek)

 

 

 

Jaka jest różnica między ogólnodostępnymi procesorami a tymi, które powstają w Instytucie Mikroelektroniki i Optoelektroniki?

K.M.: Procesory ogólnego przeznaczenia są to układy, które mamy w komputerach stacjonarnych, laptopach, tabletach. Muszą sprostać każdemu oczekiwaniu użytkownika: tworzą arkusze kalkulacyjne, pozwalają pracować z edytorami tekstu, czy otworzyć przeglądarkę internetową. Wykonywanie przez nie wyspecjalizowanych zadań wiąże się jednak z dłuższym czasem wykonywania zadania i większym zużyciem energii.

Nasze układy – a więc jednostki specjalizowane – są wyposażone w dedykowane struktury. W procesorze nawigacyjnym AGAT jest to dedykowana lista rozkazów, która służy do efektywnego demodulowania i dekodowania sygnałów satelitarnych. Natomiast procesor biomedyczny ADELIT jest wyposażony w specjalne tory pomiarowe, dzięki którym zdobywamy wiedzę o parametrach psycho-fizjologicznych człowieka. Monitorujemy czynności serca, mięśni, częstość oddechu, temperaturę i rezystancję skóry… W każdym projekcie mikroelektronicznym potrzebny jest dedykowany mikroprocesor. Jest to jedna z nielicznych i na pewno jedna z pierwszych na świecie realizacja w pełni scalonych, zintegrowanych struktur krzemowych, które zawierają zintegrowane bloki analogowo-cyfrowe z biomedycznymi torami pomiarowymi.

  

 

Charakter Waszych projektów wskazuje na to, że zakup gotowego procesora nie wchodził w grę…

K.M.: Gotowe układy ogólnego przeznaczenia nie posiadają wyspecjalizowanych funkcji. Od początku było wiadomo, że gotowy procesor nie wchodzi w grę przy realizacji naszych projektów. Większość rozwiązań na rynku składa się z większej liczby elementów (procesor, układ przetworników analogowo-cyfrowych, układ zasilania). W takiej sytuacji mielibyśmy już płytkę o wymiarach od kilku do kilkunastu cm2. Większa liczba połączeń oznacza również bardziej zawodny układ.

  

Jakie procesory tworzył Pan w ramach projektów prowadzonych w IMiO?

K.M.: W projektach byłem odpowiedzialny za stworzenie procesorów AGAT (procesor nawigacyjny), ADELIT (procesor biomedyczny), AZURYT (dwurdzeniowa wersja procesora biomedycznego). W pracę zaangażowane były też inne osoby. Pomagali mi koledzy z Zakładu Metod Projektowania w Mikroelektronice, między innymi dr inż. Andrzej Wielgus, mgr inż. Maciej Plasota, studenci, dyplomanci, magistranci, a także absolwenci, którzy cały czas z nami współpracują. Nasz zespół działa jak precyzyjna maszyna. Każdy ma tu swoją rolę: projektowanie części analogowych, cyfrowych, złożenie ich razem, weryfikacja, przygotowanie produkcji prototypowej, wytwarzanie i testowanie oprogramowania…

 

  

Widać, że jest to praca zespołowa. Z pewnością jest obecny duch drużyny. A duch rywalizacji?

K.M.: Ducha rywalizacji w negatywnym znaczeniu nie ma. Zajmujemy się tak różnymi dziedzinami, że przede wszystkim się uzupełniamy. Nasze dziedziny ze sobą nie rywalizują. Nie udałoby mi się stworzyć mikroprocesora bez kolegów, którzy zaprojektowali system generacji sygnału zegarowego, analogowych torów pomiarowych, czy opracowanie finalnego układu masek produkcyjnych.

 

W czym wyjątkowy jest mikroprocesor AGAT stworzony od A do Z na naszym Wydziale?

K.M.: Procesor nawigacyjny AGAT tworzyliśmy od samych podstaw. W efekcie powstał wyspecjalizowany, wielordzeniowy mikroprocesor służący do dekodowania, demodulacji i następnie do przetwarzania danych nawigacyjnych. Co go wyróżnia? Na pewno dążymy do tego, aby na jednym podłożu krzemowym zawrzeć oprócz procesora, także całą część analogową. Pod względem cyfrowym wyjątkowa jest z pewnością nasza autorska, wyspecjalizowana lista rozkazów. Za pomocą jednego słowa rozkazu procesora potrafimy operować na wektorach, macierzach danych, wykonywać dużo bardziej skomplikowane operacje na przestrzeni jednego cyklu zegarowego. Dedykowana lista rozkazów zapewnia większą szybkość i mniejsze zużycie energii. Dzięki niej mamy pełną kontrolę nad oprogramowaniem i możemy dopasować się do zmieniających się algorytmów generacji sygnałów nawigacyjnych. Jest to ważne chociażby w przypadku systemu Galileo, który jest cały czas rozwijany.

  

 

Czym różni się procesor biomedyczny?

K.M.: ADELIT to okrojona wersja procesora nawigacyjnego. Nie potrzebujemy w nim listy rozkazów dedykowanej dla procesora nawigacyjnego, procesor zajmuje mniej miejsca i pobiera dużo mniej mocy. Te instrukcje są niepotrzebne, nie przydałyby się podczas przetwarzania sygnałów biomedycznych. Natomiast bardzo rozbudowana jest część analogowa dotycząca układów pomiarowych, które za pośrednictwem sond pomiarowych pobierają dane z ciała człowieka.

  

Wiele osób zastanawia się, jak wygląda taki procesor?

K.M.: Nasze procesory są bardzo małe. Ich rozmiar zamyka się w granicach 5mm/5mm w przypadku wykorzystania technologii o wymiarze charakterystycznym 130 nm i może byś dużo mniejszy w przypadku zastosowania najnowocześniejszych technologii. Są to bardzo małe elementy. Są to systemy zintegrowane, to znaczy wiele funkcji jest zamkniętych w obrębie jednej struktury krzemowej. Dzięki temu potrzeba bardzo niewiele elementów zewnętrznych. Dobrym przykładem może być koszulka sportowa – w niewielkim zgrubieniu można zaszyć taki układ. Można go połączyć z elektrodami do EKG rozmieszczonymi w obrębie klatki piersiowej. Dzięki tak małemu urządzeniu jesteśmy w stanie określić np. poziom zmęczenia i stresu człowieka.

 

 

Czy studenci mogą projektować takie układy?

K.M.: Projektowanie układów scalonych wymaga specjalistycznego wykształcenia, ukierunkowania i wielu lat nauki. W ofercie programowej naszych studiów znajdują się liczne przedmioty, które przygotowują do projektowania układów scalonych. Jest to wiedza specjalistyczna, którą można zdobyć w ramach przedmiotów na WEiTI! W Instytucie Mikroelektroniki i Optoelektroniki staramy się ponadto, aby tematy prac dyplomowych były jak najbardziej praktyczne. Studenci od początku angażują się w bieżące projekty i przechodzą przez wszystkie ich etapy. Już na drugim semestrze wprowadzone są przedmioty, które w tym pomagają.

 

 

  

A jakie predyspozycje powinna posiadać osoba, która będzie pracowała nad budowaniem mikroprocesorów?

K.M.: Kluczem do sukcesu jest pasja. Nie mniej jednak potrzeba systematyczności i pewnej wizji – punkt docelowy musi być widoczny, ale można do niego dotrzeć na wiele sposobów. Nasz zespół składa się z różnych osobowości. Pracują z nami osoby systematycznie realizujące plan od punktu A do punktu B, ale mamy również dusze artystyczne, które charakteryzują się większą kreatywnością. Ich wszystkich łączy pasja i chęć do pracy.

 

 

Jest Pan współtwórcą pierwszego polskiego niekomercyjnego 32- bitowego mikroprocesora. Czy w trakcie pracy przeczuwał Pan, że będzie to rozwiązanie przełomowe?

K.M.: Czuję się spełniony i zrealizowany, ale nie przypuszczałem że nasze rozwiązania doczekają się realizacji krzemowych. Rozpoczynając pracę nad projektem nie sądziłem, że wkrótce będziemy mogli napisać, że mamy pierwszy 32-bitowy wielordzeniowy mikroprocesor w Polsce. Ukłony kierujemy też w stronę innych zespołów – przecież nie tylko u nas projektuje się mikroprocesory. Politechnika Warszawska ma pierwszeństwo w realizacji procesorów wielordzeniowych, ale nie jesteśmy jedyni i nie możemy spocząć na laurach!

 

Nie pozostaje nic innego jak tylko życzyć dalszych sukcesów w innych planach badawczych. Jakich?

K.M.: Jeśli chodzi o projekt BioSoC to głównym celem jest wdrożenie. Marzymy o tym, aby pewnego dnia napisać, że mamy pierwszy komercyjny polski produkt. Co nie zmienia faktu, że tematy biomedyczne czekają na rozwinięcie i optymalizację. W moich planach jest rozwijanie mikroprocesorów samych w sobie – jestem otwarty na wszystkie dziedziny, w których wykorzystywane są mikroprocesory.