內容整理自 Altera 大學計畫研發團隊之技術與市場系列會議討論內容

 

目前大學中，必修之數位邏輯設計課程 (Digital Logic Design)，大都以目前市面上可取得之書本及教材，配合簡易且只有開關按鈕、LED和七段顯示器之FPGA 教學板卡，來做為課程之實驗平台。實驗內容也因受限於貧乏之硬體功能，只能以如紅綠燈控制等題目為難度上限。這個平台以工業界的角度來看，完全無法培養出可立刻在工業界派上用場的工程師；以至於目前大部份學校訓練出來的學生，幾乎都要重頭訓練起才能擔負業界所須的角色。 許多知名科技產業皆急呼「大學畢業生實在不能用啊！」來突顯科技人材教育出現的嚴重斷層。

歷史的殷鑑不遠 – 從 RTL 的革命看起

在 1990 年初之後，在許多北美學校還對 RTL 用於 IC 設計的革命性改變遑然不覺的情況下，繼續在教學上著重如何讓學生以人工方式更快速地化簡卡諾圖；並要求學生以74系列 TTL IC，用最基本的邏輯閘 (AND, OR, NOT) 以一整天在麵包板上拼排出以數百根線連接的IC拼圖來完成一個簡易十字路口的紅綠燈控制電路。 在同時，卻有許多與工業界接軌良好的學校，在不畏更換教材的重重困難下， 將 FPGA/CPLD 簡易板卡，引入了學校教學。這些幸運的學生，在課堂上只瞭解到 combinational 與 sequential logic 的差異及卡諾圖化簡的精神後，再學習一種 RTL 語言，便可以在幾十分鐘內，將紅綠燈控制從設計到實作輕鬆完成。

這些以傳統化簡卡諾圖方式設計數位邏輯電路的學生，當走出校園時，突然發現他們要花好多天才能設計出的電路，卻有同樣的大學畢業生只要用一兩小時就可設計完畢。 這些以 RTL 訓練出的學生，能在投入職場的第一天，就融入工作環境中；學校訓練方法的偏差，能造成學生能力有著天壤之別的差異。 在那段時期，工業界的工程師也面臨到因RTL Synthesis的革命所帶來巔覆性的衝擊-在當時許多有十年以上豐富經驗的數位IC設計師，他們能以高超的人工卡諾圖化簡能力來設計出一個相當複雜的電路；但在 1990 年後，這些資深IC 設計師，卻發現許多學校剛畢業的學生，能用很短的時間，來設計出他們原本要靠長年累積出的能力才能做到的複雜電路。 當時，有許多無法去適應這突如其來的轉變之資深人員，便退出了這塊高度競爭的職場。 反之，那些有幸接受學校給予 RTL IC 設計訓練的學生，很多在兩三年中便成為了資深設計人員，填補了空缺。 這個革命，是由 RTL Synthesis 工具成熟問市而產生的。

另一場 SOC 及多媒體產品革命為學校教學帶來了新的挑戰

十年之後，另一場革命在數位IC設計的世界又開始發生。 這十年中，各種原來只在實驗室中的標準，搖身成為了市場的當紅產品 (USB、 SD/Flash Card、MP3、 DTV、802.11、 Home gateway、 Media player、 SOC)， 所有的IC設計公司必需在很短的時間內，設計出此類市場週期短暫的產品。 而學校訓練出來的學生，在學校幾乎沒有任何管道來學習這方面的知識 - 原因一來是沒有教材：學校在 Digital Logic 教學上的教授，無法獲得這近十年如雨後春筍般冒出的多媒體及通信產品上的設計實例；二來是沒有相對應的開發平台：工業界所用的高單價平台多只針對少數特定應用，既無全面性的含蓋所需，更因其高單價而無法普及至每位學生。

眾多企業瞭解到對學校培養出來的學生，非常欠缺這方面的訓練，因而無法立刻擔當所急需的職務功能。 Altera 在 2005年便啟動了全新的大學計畫，從教材到硬體平台，全面做革命性的更新，『為了這項革命性的更新, 我們連教學平台的名字都變了』－ Altera 軟體技術總監 Dr. Brown 堅定的表示這項決心。 『我們以往用 UP1, UP2, UP3 這一系列的名字來代表 University Program 所用之教學平台；而我們這次所要用的名字是 DE 系列 (Development and Education Board)，因為我們認為在學校時就要學到工業界所用到的技能，因此我們要設計出一個能含蓋目前業界最多應用的高端開發平台， 並能將此平台運用在學校教學上』。 Dr. Brown 繼續說道『我們的目標是要做出有史以來最好的開發平台， 並用最低廉的價錢，提供給學校』。更重要的是，上面所有的 IP 及參考設計都必需免費 - Altera 大學計畫成員在會議中做出這樣的結論。

Altera DE2 填補起學校與工業界在數位設計上的鴻溝

八個月後，Altera 全球大學計畫用多媒體開發平台 DE2 (註1) 問市了－ 目標課程含蓋從大二的數位邏輯設計及實驗、大三的計算機組織(Computer Architecture)、大四之多媒體、影像及網通專題設計。 最重要的是，這套 DE2 平台是由Altera 與工業界頂尖多媒體系統設計廠商合作一同開發，在硬體上具有最新各類多媒體影音及傳輸週邊接口，在軟體上有著全系列之參考設計及免費 IP 核心，可供學生及教師們立刻設計出各種應用專題。 在教材上，Altera 提供了同時滿足學校數位實驗及高階工業界所需之參考設計手冊，可供學習。 美國最大空軍基地 Wright-Patterson 基地公開評論說『 Altera DE2 是他們有史以來用過最好的一套 FPGA 硬軟體平台及教材』。

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

DE2 板卡上以最新 90 奈米CycloneTM II EP2C35C6 FPGA 為核心，共有672 根腳位，所有重要的元件都連接上此 FPGA 的 IO 腳位，使用者可以控制板上所有的週邊功能。 對基礎實驗方面，DE2 板卡提供了充足數量的指撥及按紐開關、LED、七段顯示器及16x2 LCD Panel 。 對於進階的實驗上，DE2 有著 SRAM、SDRAM及Flash 記憶體。對高檔工業界多媒體需求，DE2 提供了24-bit CD 音質的編解碼IC(Codec) 並有麥克風、line-in、line-out 接口、高端 TV Decoder 以及 SXGA (10-bit) VGA DAC。 這些高階多媒體功能配合現成提供的完整IP及參考設計，讓使用者可以輕易做出專業級的影音及視訊上應用。

在通訊與外部連接方面，DE2 有著USB 2.0 (Host 與 Slave雙向)、10/100 乙太網控制器、紅外線傳輸、SD 記憶體界面與兩個40 pin 的擴充槽，可與許多配套的子板搭配。 目前可搭配的子板包含有：130萬相素CMOS 數位相機模組卡及數位電視PIP功能驗證平台(註2) 。

Altera 以速度最快、價格為普通C8兩倍的C6 來做為核心，其用意是希望學校能以最好的平台來讓學生及教授開發出工業等級的產品，不再受限於二流的平台，而Altera 則全部自行吸收多出的價格。

圖1. 2006 年Altera 最新全球大學計畫開發平台

完整的參考設計全部免費公開

在軟體和教材上，DE2 套件附上原廠最新 Altera Quartus II 及 NIOS II 光碟組，用於大學教學之基礎實驗指導手冊、完整 Lab 範例以及與所有工業界一流的設計實例－高畫質音效電視盒、USB 繪圖板、130萬畫素數位相機平台、網路封包收發、SD卡音樂撥放器等多種參考設計。 最重要的是，DE2 以業界從所未有的開放胸襟，將許多珍貴的 IP 完全公開讓學校能快速建立完整教學環境，以因應學生畢業後面臨業界快速變化的需求。

從 DE2 的快速鋪開來看全球化的競爭與來自中國的挑戰

2006 年初，美國電機電子名校－ 密西根大學安亞伯分校的數位IC實驗室裡，設置了全新數十套 Altera 最新的 DE2 開發平台；同時，麻州大學安默斯特分校、加拿大名校－多倫多與滑鐵廬大學等每個學校數位邏輯實驗室中，也都悄悄全部換上數十套至百套的 DE2開發平台。 讓大學部學生能以一人一機方式， 以Altera 撰寫的教材，從事最新的IC設計教學。 (註3)

同樣的情形也發生在地球對面的中國眾多名校裡：有中國MIT 之稱的上海交大，成立了Altera 與上海交大聯合實驗室，裡面購置了70 套 DE2 平台供大學及研究所 IC 設計教學；桂林電子科大與北京航天大學也各購置 70 套 DE2 來成立新的數位 IC 實驗室，與北美同樣以一人一機方式，用同樣的一套教材及硬體，來教育中國未來的頂尖IC 設計工程師。

相比起眾多歐美名校快速地導入此套 DE2 教材，中國的許多重點大學在導入此套國外最新設備時， 更有著令世界刮目相看的魄力與決心，譬如：上海交大主持Altera 與 Philips 創新實驗室的張志剛博士在與美國媒體採訪其新成立擁有近百套 Altera DE2 的大型實驗中心時，便說道『我們擁有著13億人口挑出來的菁英學生，我要給他們最好的實驗設備及全套與工業界同步的完整硬軟體平台，使這些學生能與工業界完全接軌， 擁有一流的設計能力，為中國的 IC 設計產業邁向世界第一做好準備』。面對著對岸急起直追的雄心壯志，反觀台灣的學校與學生，我們自問：準備好迎接這個挑戰了嗎?

 

註(1). Altera DE2 平台原廠網站: 請參閱 DE2 Education & Development Boards .

註(2). 130萬相素數位相機平台模組及DTV PIP驗證擴充平台相關資訊, 請參閱 Altera DE2 設計及生產廠商友晶科技網站.

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