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EDAツールなしでエクセル一つで完結するAI半導体入門

VerilogとEDAツールを学ぼうとして諦めてしまいましたか?NPUを直接設計する半導体学科の教授が、9つのエクセルファイルでCPUからNPUまで計算しながら理解する方法を伝授します。

1名 が受講中です。

難易度 入門

受講期間 無制限

AI
AI
Excel
Excel
Computer Architecture
Computer Architecture
GPU
GPU
Machine Learning(ML)
Machine Learning(ML)
AI
AI
Excel
Excel
Computer Architecture
Computer Architecture
GPU
GPU
Machine Learning(ML)
Machine Learning(ML)

受講後に得られること

  • AI半導体の記事におけるボトルネック(瓶の首)と帯域幅(バンド幅)の意味を説明する能力

  • CPUとGPUとNPUの違いを構造的理由から説明する能力

  • 面接で「GPUとNPUの違いを説明してください」に詰まらない回答力

  • DRAMとSRAMの違いを実習で理解

  • AI半導体実習エクセルファイル9種

  • 演算器を増やしても性能が頭打ちになる地点を、直接計算して見つけ出す能力

  • SRAMが40倍も速いのにメインメモリとして使われない理由を語る説明力

■ 半導体シミュレーターなしで、エクセルだけで

人工知能半導体を理解しようとする試みは、通常、参入障壁の前で立ち止まってしまいます。ハードウェア記述言語を習得し、EDAツールをインストールし、ライセンスを確保し、波形を解析する方法を学ばなければなりません。この過程だけで数ヶ月を要し、全体の構造に対する感覚を得る前に、ツールの学習に大半の時間を使うことになります。

本講義は、別の道筋を提示します。半導体の動作を表計算ソフト上の計算モデルとして実装し、受講生が直接入力値を調整しながら結果の変化を観察できるように設計しました。

エクセルファイルを開き、黄色のセルの数字を変えるだけです。

■ エクセルがEDAツールに代わることができる理由

半導体シミュレーションの本質は、条件を変えたときに結果がどのように変化するかを確認することです。本講義の実習ファイルは、その機能をスプレッドシート上で行います。

・設置の必要はありません

エクセルまたは互換性のあるスプレッドシートプログラムがあれば十分です。

別途の開発環境、ライセンス、設定プロセスは不要です。

・計算過程がすべて見えます

EDAツールは結果を波形として出力します。中間の過程は隠されています。

表計算ソフトでは、すべての中間値がセルにそのまま表示されます。

どのような数式でその値が出たのか、直接確認することができます。

・即座に反応します

入力欄の値を変えると、関連する表やグラフがその場で更新されます。

コンパイルも、実行待機もありません。

・受講後も残ります

講義が終わった後も、ファイルはそのまま使用できます。

新しい条件を入れながら、自ら実験を続けていくことができます。

■ 静的な図表ではありません

本講義の実習ファイルは、すでに計算された結果を表示するだけの表ではありません。半導体の実行過程が数式で実装されており、入力が変われば全体の結果が連鎖的に再計算されます。

・CPUが命令を実行する過程を27段階で展開し、

各段階でどのような値が読み取られ、累積されるのかを一行ずつ追跡します。

· GPUの演算器稼働率が帯域幅の限界に達する地点を

数式で算出し、グラフで確認します。

・DRAMが読み取るたびに電荷を復元する5つの段階を

段階を追って進めながら、SRAMと比較します。

・シストリックアレイで計算が活性化される位置が

時間に沿って対角線上に移動する過程をセル単位で追跡します。

・NPUの13×10演算器配列が52個のタイルを処理する間に

発生するメモリアクセス回数を段階別に算出します。

このような形式の学習資料は、市販のものではなかなか見当たりません。概念図や比喩にとどまる入門書と、ハードウェア記述言語を前提とする専門書との間にある空白を埋めるために制作しました。

■ 8つのテーマが1つの問いへとつながります

本講義は独立した主題を羅列したものではありません。一つの問いから出発し、次の問いへと深まっていく構造で設計されています。

人工知能は何を計算するのか

その計算を汎用プロセッサで実行すると、どのような負荷が生じるのか

並列構造はその負担をどのように緩和し、どこで限界に達するのか

メモリが制約なら、より速いメモリを使えばいいのではないか

高速メモリを全面的に導入できない理由は何なのか

データを再利用すると何が変わるのか

これを回路で実装すると、どのような利点と代償が生じるのか

各回の最後に残る問いが、次の回の出発点となります。最後には、性能、電力、面積、原価、データ移動を総合的に考慮するシステム設計の観点に到達します。

■ 学習方式

各回には入力値を変更してみる過程が含まれています。推奨される順序は次の通りです。

まず結果を予想し、

値を変更した後

実際の結果を観察し、

その理由を説明してみます

値を入力すること自体が目的ではありません。どのような入力がどのような結果に影響を与えるのか、その因果関係を把握することが目的です。予想と実際が異なるとき、その理由を探る過程で理解が深まります。

■ 提供資料

講義で使用するエクセルファイル9種をすべて提供します。

01_Line_Classifier.xlsx 線形分類器の判断過程

02_MNIST_Learning.xlsx 重み学習の原理

03_Training_and_Inference.xlsx 学習と推論の演算量比較

04_CPU_Operation.xlsx 命令実行とパイプライン

05_CPU_GPU_Comparison.xlsx 並列構造とメモリボトルネック

06_DRAM_SRAM.xlsx メモリ階層の形成原理

07_Systolic_Array.xlsx データの再利用と実行スケジュール

08_NPU.xlsx 専用アクセラレータの構造的特性

各ファイルは案内、本文、条件、表、整理シートで構成されています。入力セルは黄色で区別されており、その他の領域は保護設定が適用されています。数式が損なわれる心配がなく、自由に実験していただけます。

■ 受講対象

・人工知能半導体関連の資料に触れているが、

技術的背景を体系的に整理したい方

・半導体業界への就職を準備しながら

・コンピュータ構造とアクセラレータの概念を整理したい方

・非専門家として技術動向を判断できる

基礎知識を身につけたい方

・ハードウェア記述言語を学習する前に

全体の構造をまず把握したい方

・教育現場で人工知能(AI)半導体を説明する必要がある方

■ 前提知識

スプレッドシートに数値を入力できるレベルであれば十分です。プログラミングの経験、半導体の専門知識、別途の開発環境は必要ありません。

■ 講義モデルの範囲

本講義で使用する計算モデルは教育目的で簡略化されたものであり、実際の製品の性能指標を予測するためのものではありません。

各実習画面には該当モデルが前提とする条件を明示しており、実際の設計と差異がある部分は講義中に別途説明します。数値自体を暗記するのではなく、そのような数値が導き出される構造的な理由を理解することに目的があります。

■ 講義構成

全 9セクション · 9講 · 計 3時間 34分

セクション1およびセクション2無料公開

こんな方に
おすすめです

学習対象は
誰でしょう?

  • VerilogとEDAツールを学ぶ前に、まず全体構造を把握したい半導体業界志望の就活生

  • モデル性能とハードウェアの関係を数値で理解したいAI開発者

  • コンピュータ構成学で学んだ概念を実際の数値で確認したい電子工学専攻生

  • AI半導体を説明する際に使用する実習資料が必要な教育者

  • 技術会議や文書を自ら判断したい半導体産業の企画者

前提知識、
必要でしょうか?

  • スプレッドシートに数字を入力できれば十分です。

  • プログラミングの経験や半導体の専門知識は必要ありません。

  • 数式を直接作成する必要はありません。エクセルの空欄の値だけを変更してください。

こんにちは
EdgeChipLabです。

キャリア認証

AI半導体をFPGAで直接設計し、実装します

現職の大学教授として、システム半導体産業での30年の経験とAI半導体の研究・教育ノウハウを詰め込みました。

サムスン電子DS部門のシステム半導体研究員を皮切りに、イギリスおよびドイツ法人のディレクター、システムLSIマーケティング・営業グループ長を経て、現在半導体工学を教える教授が自ら設計し、FPGAで検証した実践型カリキュラムです。

単にFPGAの使い方を学ぶ教育ではありません。
AIアルゴリズムを理解し → NPUとCPUをRTLで直接設計し → FPGAに実装し → 実際のハードウェアで検証して → 最終的にAI SoCまで拡張するプロセスを目指します。..

AI Algorithm → RTL Design → FPGA Implementation → Bit-True Verification → AI SoC

 

理論を超えて実際のAIハードウェア実装へ

バラバラになった断片的な知識だけでは、システムレベルのAI半導体設計能力に到達することは困難です。

受講生は、完成されたブラックボックスIPを使用するだけにとどまりません。AI NPUとRISC-V CPUを直接設計し、メモリと周辺機器を統合し、最終的に自分だけのAI SoCを構築できるシステム設計能力を段階的に備えることを目標とします。

トランジスタとデジタル回路の基礎から始まり、FPGA、CPU、NPUを経てTransformerとLLM加速ハードウェアまで繋げます。

 

研究結果を実際のFPGAハードウェアで検証します。

目で見ているだけの講義ではありません。理論や単純なシミュレーションで終わらせず、直接設計したAI半導体回路を実際のFPGAで動作させ、PythonモデルとRTLの結果が1ビットまで一致するBit-True検証を行います。

講師のAI半導体・FPGA・RISC-V関連のKCI登載論文4編を含む研究結果も教育コンテンツと連携させ、研究で検証した技術を実際の設計とFPGA実装へと繋げます。

独自開発したRISC-V CPUをはじめ、画像学習用のPythonコードやVerilog RTLなど、実習に必要なソースコードを公開します。

普及型のArty S7-25 FPGAボードと無料のVivado設計ツールを中心に構成し、学習者が自ら設計・実装・検証する全過程を再現できるようにしました。

 

途切れのないフルスタックロードマップ:基礎からmini LLMアクセラレータまで

すべての講義は独立した断片ではなく、一つの巨大なシステムを完成させていく旅程です。

  • Step 1: AI理論および画像処理の基礎 (Machine Learningを含む)

  • Step 2: AIアクセラレータ(NPU)設計および検証 (Machine Learningを含む)

  • Step 3: RISC-V CPU設計およびシステム統合

  • Step 4: 高度なAI SoCの実装およびmini LLM加速プラットフォームへの拡張(継続的なコンテンツアップデート)

     

 

客観的な検証指標

本過程のすべての設計成果物は、グローバル標準と学界の厳格な検証を経ております。

  • RISC-V アーキテクチャ検証:自社開発 RISC-V CPU、国際財団公式コンプライアンステスト(ACT)通過およびソースコード公開 (GitHub)

  • 学術的権威:単独著者 学術論文4編(KCI A等級 著名学術登載誌 IJIBC)

  • グローバルな認定:グローバルAmazon技術書2冊出版(ベストセラー3位達成)

  • 実際の動作検証済み:RV32I CPU、NPU、ビジョンシステム、GPS、Transformer、AURA-Edge SoCなど、主要IPのArty S7環境での完全動作を確認

挑戦してください。直接コードをボードに書き込み、結果を確認するこの過程が終わる頃には、皆さんは以前とは全く異なる視点を持ったハードウェアエンジニアへとレベルアップしているはずです。

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カリキュラム

全体

9件 ∙ (3時間 33分)

講座掲載日: 
最終更新日: 

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