— Я – кандидат технических наук, доцент департамента компьютерной инженерии Московского института электроники и математики (МИЭМ), который сейчас входит в НИУ «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ). Я руковожу Лабораторией систем автоматизированного проектирования (САПР), на базе которой проходят курсы для студентов по специализации автоматизированных систем департамента компьютерной инженерии. Мы в МИЭМ готовим будущих инженеров и IT-специалистов.

Лаборатория САПР специализируется на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС). Это специальная электроника, которую можно запрограммировать под любые задачи. На ПЛИС можно создать процессор, цифровой автомат или систему управления, например, стиральной машины. Это универсальные устройства.

Уже на 1 курсе наши студенты знакомятся с ПЛИС: при выполнении лабораторных работ создают свою логическую функцию, управляющую, например, лампочками на плате. Специализация начинается с середины 3 курса, когда студенты выбирают одно из трёх направлений: «Компьютерные системы и сети» (которое ведёт Денис Александрович Королёв), «Микроконтроллерные системы» (Дмитрий Александрович Попов) или «Автоматизированные системы» (направление, которое веду я). Предмет изучения, при этом, практически одинаков, но изучается с разных сторон.

Выпускники инженерных вузов часто умеют что-то одно: либо программируют (не до конца понимая, какую аппаратуру), либо занимаются только «железом». Наши студенты работают на стыке проектирования аппаратуры и программирования, хорошо умея и то, и другое. Впоследствии у них на работе не возникает проблем согласования программной и аппаратной частей. В университете существует целый ряд дисциплин, которые реализуют этот принцип, и одна из них, как раз, моя – это проектирование систем на кристалле, то есть систем, в которых на одном чипе расположены практически все компоненты микрокомпьютера: процессор, память, блоки цифровой обработки сигналов и т.д.

За время учёбы студенты проходят путь от изучения новых языков программирования до создания многоядерных процессорных систем. Наши выпускники способны делать полноценные комплексы, сравнимые по сложности с мобильным телефоном; становятся востребованными в таких ведущих организациях, как МЦСТ, НТЦ «Прогресс», в гигантах вроде «Сбербанка», который является сейчас не столько банком, сколько технологическим центром федерального масштаба.

Вторая сторона моей работы – это наука. В 2015 году я защитил диссертацию, посвящённую сетям на кристалле. Благодаря этой технологии внутри одного чипа можно поместить множество процессорных ядер и заставить их работать вместе. Наука в нашей отрасли сейчас занимается решением вопроса о том, как связать их воедино, обеспечив наиболее эффективное взаимодействие.

Третьим направлением, которое сейчас активно развивается в МИЭМ, является концепция обучения вокруг проекта. Начиная с 1–2 курсов ребята в одиночку или в группах до пяти человек решают серьёзные задачи, например, создают робота с автономной навигацией, который при езде находит препятствия и строит карту помещений. Это пример учебного проекта, но с реальным практическим заданием. Индустриальные проекты формулируют и финансируют наши предприятия-партнёры. Этапы работы над проектом и количество затраченных на неё студентом часов отслеживает трекинговая система. Законченные проекты представляются во время различных промежуточных мероприятий, на университетской конференции, а также на финальной сессии, где оценка выставляется членами смешанной комиссии, состоящей из наиболее активно работающих в проектной деятельности преподавателей и внешних экспертов из индустрии.

Всё больше проектов в последнее время становятся коммерческими. Например, внешняя компания просит разработать нейронную сеть, которая будет анализировать видеопоток и определять на нём ребёнка, перебегающего дорогу в неположенном месте. Компания объявляет, сколько готова заплатить за выполнение задачи, и у нас под неё формируется команда.

— Раньше по закону Мура количество транзисторов на единицу площади чипа удваивалось каждые полтора года. Но сейчас мы достигли определённых пределов, и дальнейшее развитие осложнено как по количеству транзисторов, так и по максимальным частотам работы этих чипов, ограниченных предельными значениями на уровне 5 ГГц. Когда интенсивное развитие технологии замедляется, приходит пора экстенсивного развития.

Изначально процессоры были одноядерными, а у современных внутри уже 8, 16 и больше ядер. Есть компания Cerebras, создающая огромные чипы, которые не помещаются в руке у человека. На таком чипе могут располагаться тысячи процессорных ядер. Но проблема создания подобных чипов состоит в том, что эти процессорные ядра нужно между собой связать. Как обеспечить их коммуникацию? Тематика моих исследований – поиск новых способов соединения ядер, новых методов передачи данных. Мы ищем новые решения, чтобы создавать более производительные чипы. Эта тема сейчас находится на самом острие науки.

— Если бы меня спросили, когда я был студентом, может ли быть чип с 36 ядрами, я бы тоже сказал, что это фантастика, а сейчас это нормально.

— Вся наша лаборатория началась с десятка моих личных плат, которые я принёс в наш университет в 2014 году. Я регулярно участвовал в крупном международном конкурсе InnovateFPGA, который раньше проводился компанией Altera, а сейчас – Intel. Участники могли подать на конкурс идею создания чего-либо по заданной тематике, и организаторы присылали участникам платы для воплощения этой идеи. Участвуя в конкурсе в разные года, я собрал какое-то количество отладочных плат на основе ПЛИС и на их основе начал строить учебный процесс в УЛ САПР. Я об этом недавно писал в блоге для сообщества fpga-systems.ru (сейчас там, кстати, запустили сервис бесплатной аренды отладочных плат, с помощью которого можно получить плату с ПЛИС на время выполнения проекта).

Руководство поддержало мою инициативу, и Лабораторию систем автоматизированного проектирования оснастили современным оборудованием. Теперь в ней имеется около 150 плат разного уровня сложности, многие из которых – на основе ПЛИС. С их помощью студенты программируют уже существующих роботов или создают своих собственных, выполняют программно-аппаратные проекты. А мы с коллегами помогаем студентам в их инженерных разработках. Сейчас в лаборатории есть готовые работающие модели уровня человекоподобных роботов NAO, и Darwin.

— Наша цель – воспитать инженера, который умеет работать с различным оборудованием и решать нетривиальные задачи, для которых нет формализованной схемы решения.

— У нас много разработок; при воплощении каждой из них студенты имеют прекрасные возможности применить на практике полученные знания, проявить свою изобретательность. Типичная разработка, сделанная уже в нескольких вариантах, – это подвижная платформа с колёсами, аккумулятором и двигателем. Такая тележка может преодолевать препятствия, ездить и автономно существовать. На ней не только установлен управляющий модуль, но и имеется планшет с анимированным лицом робота и камера, с помощью которой он определяет, с кем общается и оценивает окружающий мир. Роботом можно дистанционно управлять через облако. Подобного робота мы сделали для ежегодного «Техношоу», которое в 2022 году прошло 30 мая – наконец-то офлайн. Это мероприятие очень высокого уровня, и весь МИЭМ представлял на нём свои проекты. А вот ещё пример антропоморфного робота, сделанного в нашей лаборатории.

Другое наше интересное устройство – это свой 3D-принтер. Ребята сделали полноценный каркас, подъёмную платформу, систему двигателей и ремней, которые приводят в движение печатающую головку, автоматическую подачу пластика – то есть все компоненты. Главная его особенность состоит в том, что он сделан на основе ПЛИС. Обычно для 3D-принтера нужен компьютер, ПО которого «слайсит» модель из файла, то есть делит её на слои, которые печатает принтер. В нашу же разработку можно просто вставить флешку с моделью, которую он напечатает. Сейчас мы дорабатываем для принтера систему предотвращения аварийных ситуаций, например, обрыва нити пластика или попадания посторонних предметов в зону печати.

Очень важный проект, над которым работали 5 команд наших студентов, делая разные его варианты, – это дистанционные стенды, благодаря которым студенты могут удалённо подключиться к университетскому компьютеру, собрать на нём проект, загрузить его на плату и проследить через камеру, как код будет выполняться. Об этом можно посмотреть видео с конференции.

Есть среди проектов и стенды, куда студент только загружает задание и не видит применение кода на плате в реальном времени, но получает ответ с видеозаписью. Эти проекты, кстати, позволили нам во время пандемии не прекращать практическое обучение на реальном оборудовании.

— Год назад главным вызовом действительно была реализация онлайн-обучения. Я считаю, что мы с ним справились хорошо, потому что смогли не прервать учебный процесс и не потерять два поколения студентов. Тем не менее, мы конечно же рады в 2022 году вернуться в полный офлайн.

Недавно появился другой вызов – потребность в российской электронной базе и собственных САПР, с помощью которых проводится разработка электроники и программ. Нельзя сказать, что отечественная база полностью отсутствует, но нам многого не хватает. Поэтому сейчас целый ряд российских компаний, например, «Eremex» разрабатывают свою САПР. Они предлагают МИЭМ целый ряд задач, а мы делаем их усилиями студентов и преподавателей, решая общую проблему отрасли. Нам поручают дорабатывать какие-то из модулей, например, улучшить представление программного кода в редакторе для удобства работы программистов.

— Я люблю заниматься наукой. Мне нравится придумывать новые решения и создавать новые вещи, которые до меня никто никогда не делал. Вполне очевидно, что по тематике, которой я занимаюсь, научных исследований, проводимых в России, пока, к сожалению, ещё недостаточно; своими научными трудами я пытаюсь восполнить этот пробел и стараюсь, чтобы они не уступали по своему уровню признанным мировым исследованиям.

При этом моя задача – показать учащимся, что приобретаемые знания должны не только обеспечивать возможность достойно зарабатывать, но и создавать необходимую базу для дальнейшего профессионального роста. Реальность такова, что современный студент в материальном плане достаточно целеустремлён. Он с первого курса хочет начать зарабатывать, что в нашей области более чем возможно. К третьему курсу работают практически все. Но кем они работают? По большей части – программистами низшего звена, пусть даже и со сравнительно высокой зарплатой. На мой взгляд, профессиональный рост на этом заканчиваться не должен. Студенту надо получить базу и объём навыков исследовательского уровня, научиться быть не только исполнителем, но и уметь расширять свой горизонт, выходить за рамки технического задания, и находить собственные оригинальные решения. Именно для того, чтобы научить этому студентов, я и занимаюсь преподаванием.

— Хотелось бы увеличить команду хотя бы в три раза за счёт наших учеников. Мои коллеги по лаборатории – это мои аспиранты или магистры. У нашей команды есть столько интересных идей и задумок, которые можно реализовать, что просто может не хватить времени, чтобы жить, если попытаться всё успеть. Поэтому, преподавая, мы пытаемся создать инженеров будущего, которые будут с нами работать.

— Он междисциплинарен и обладает широкими знаниями в смежных с электроникой сферах. Вообще междисциплинарность сейчас в тренде. Мы стараемся учить наших студентов не действовать шаблонно, а проводить собственные исследования и придумывать оригинальные решения, что сложно делать без смежных знаний.

— Я считаю, что в Учебной лаборатории САПР, не только люди в моей команде, но и нынешние выпускники – это уже инженеры будущего. Я продолжаю общаться с ними через социальные сети и знаю их дальнейшую судьбу. Раньше многие уходили в программисты, например, разрабатывать игрушки под Android, хотя мы учили их другому. Сейчас же всё больше и больше выпускников работают над проектированием электроники, в области телекоммуникаций, в космической сфере, в технологических гигантах, таких как Samsung, Huawei, Intel и «Сбербанк». Профессиональные треки, которые выбирают наши выпускники, на мой взгляд, стали соответствовать тому, чему мы их учим. Очень приятно, когда твой студент спустя 5 лет пишет: «Александр Юрьевич, моё изделие уже на орбите. Какое изделие и на какой орбите не скажу, но порадуйтесь со мной». И я радуюсь. Это значит, что я и моя команда работаем не зря.

— Мои коллеги по лаборатории – это люди, которые умеют проводить научный поиск, много работать и обладают широким набором различных инженерных навыков. Сейчас в нашей лаборатории два старших преподавателя – это мои аспиранты: Евгений Лежнев, Александр Американов, а также к ним недавно присоединился Владимир Зунин. Они вместе со мной являются для студентов продакт-менеджерами: собирают материалы, формулируют задания, обрабатывают результаты работы студентов, доводят её до продукта. Вокруг каждого из нас сформирована своя команда из 10–20 студентов разных курсов.

— В МИЭМ НИУ ВШЭ проходит много отраслевых мероприятий. Есть своя олимпиада от ВШЭ «Высшая проба» по электронике и вычислительной технике. Участие в данных мероприятиях – это прямой путь облегчить себе поступление в МИЭМ.

Есть Инженерно-техническая школа МИЭМ, в которой школьники учатся, например, программировать на Arduino, проводятся и бесплатные Инженерные классы в московской школе.

Сейчас для стремящегося учиться человека есть немало возможностей, в том числе для любителей электроники. Не так давно я смотрел лекции с портала «Истовый инженер» от компании YADRO, на которых руководители отделов «Яндекса», профессура из вузов, известные ученые увлекательно рассказывают о нейронных сетях, создании процессоров, проблемах в различных научных отраслях и многом другом. Очень советую посмотреть.

Материалы, связанные с проектной деятельностью МИЭМ, можно найти на YouTube-канале института.

Для тех, кому интересно читать, могу порекомендовать серию книг «Образовательная манга» от издательства «ДМК Пресс». В ней японские авторы рассказывают о естественных науках, в частности, об электронике. Очень интересный и современный формат.

Если хочется узнать, чему учат конкретно у нас на 1–3 курсе, то можно прочесть очень хорошую книгу авторов Дэвида и Сары Харрис – «Цифровая схемотехника и архитектура компьютера», к которой я имею непосредственное отношение. В 2014 году собралась команда из около 50 человек с постсоветского пространства, включая эмигрантов в Америку, и перевели эту книгу. Потом она пережила множество переизданий, и в последнем, пятом, я был научным редактором. По «Цифровой схемотехнике» учатся многие вузы, а материал в ней изложен таким лёгким и доступным языком, что интересно будет и школьнику.

— По книге Харрис и Харрис был сделан дополнительный практический курс в виде книги «Цифровой синтез. Практический курс». Мы редактировали это издание вместе с Юрием Панчулом. Её нужно читать после «Цифровой схемотехники». Хотя наши студенты проходят эту книгу на 3 курсе, многие читали её ещё будучи школьниками или первокурсниками. С такими студентами можно непосредственно начинать делать интересные проекты.

Работаю я и над другими переводными книгами «ДМК Пресс». Например, скоро выйдет «Программирование FPGA для начинающих». Когда материал издан в печатном виде, а не только выложен в соцсети, с ним знакомится больше людей.

— В настоящее время в России много лидеров в электронной сфере в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова, Университете ИТМО, в Московском институте электронной техники. У них довольно серьёзные команды, каждая из которых занимается своей тематикой.

В российских вузах у меня много личных контактов и опыт совместных проектов. Уже года четыре мы тесно сотрудничаем с двумя крупными учёными из Новосибирского государственного университета: Эмилией Анатольевной Монаховой и Олегом Геннадиевичем Монаховым – это люди, которые на протяжении всей своей научной деятельности занимаются математикой и топологиями. Мы продуктивно работаем с Романом Александровичем Соловьевым из Института проблем проектирования микроэлектроники РАН, занимающимся нейронными сетями и их аппаратными реализациями. Недавно в МИЭМ начал работать проф. Андрей Михайлович Сухов, замечательный специалист по сетям. Есть опыт сотрудничества с зарубежными коллегами из немецких вузов. Тем более, что успешные опыт такого взаимодействия уже есть: например, группа Константина Орестовича Петросянца создаёт электронные схемы по технологии кристалл на сапфире для производства более мощных чипов и выполняет целый ряд проектов совместно с китайскими коллегами. В МИЭМ очень много команд, работающих с наукоёмкими темами: криптографией, суперкомпьютерным моделированием, атомистическим моделированием, новыми сетевыми технологиями, а также многими другими проектами.

Российская электроника в целом активно развивается, в неё вкладывают большие деньги; плюс появились средства у таких технологических компаний, как Сбербанк или YADRO. Когда меня спрашивают студенты, куда пойти работать после учёбы, я пытаюсь объяснить, что можно неплохо зарабатывать в сфере IT, но если есть способности для занятий научным поиском и системное мышление, то можно оставаться в науке и получать не меньше денег, а, может быть, даже и больше, при этом не «наступая на горло» собственному призванию.

— Обычно мы начинаем сотрудничать с компанией ради конкретного проекта, выполняем его и завершаем сотрудничество. В числе компаний, с которыми мы работали в последнее время, Eremex, создающая новый российский САПР, и YADRO, разрабатывающая российский процессор с архитектурой RISC-V.

У нас есть базовая кафедра на основе компании по системной интеграции ЕС-лизинг, официального русского дистрибьютора продукции американской компании IBM, которая специализируется на интеллектуальных системах обработки больших данных. Многие магистры этой кафедры работают в компании ЕС-лизинг параллельно с учёбой.

Последние пару лет мы занимаемся организацией похожего трека на основе компании МЦСТ. Фактически наши учащиеся становятся её сотрудниками, ведь в первой половине дня они выполняют рабочие задачи, а во второй – учатся. Часть курсов им читают коллеги из МЦСТ.

— Когда я был студентом, состояние учебной материальной базы университета, техническая оснащенность кафедр оставляли желать лучшего: на весь студенческий поток была лишь одна микроконтроллерная плата, с которой мы умудрялись участвовать в олимпиадах, побеждать и развиваться.

Теперь же у школьников есть масса возможностей: онлайн курсы, занятия по Arduino, платные и бесплатные кружки, отличное оборудование в школах, имеющееся не в каждой лаборатории. Сейчас мы очень неплохо живём. Может быть, завтра настолько хорошо мы жить не будем. Поэтому я призываю ребят не тратить время впустую, а пользоваться этим временем и этими возможностями, чтобы развиваться, познавать мир, создавать новое и жить активной жизнью. Ребят, которые хотят этого, мы ждём у себя и готовы вместе заниматься интересными и перспективными проектами.