FPGA実装のためのRISC-V CPU設計 ① Pythonで学ぶRV32I命令構造と実行原理

NPU・トランスフォーマーアクセラレータ・mini LLMのようなAI半導体を直接設計するには、その内部の演算がなぜ行われるのかを理論として知る必要があります。この講義は、一つのニューロンからCNN・トランスフォーマー・LLMまで、ハードウェア設計に不可欠な理論のエッセンスだけを抽出して3編に凝縮しました。数式の暗記ではなく「なぜそうなるのか」という直感を通じて、半導体産業30年の経歴を持つ現職教授が、ソフトウェア理論とハードウェア実装を一つに繋ぎます。

ニューラルネットワークをFPGAに実装する — 言葉には馴染みがありますが、実際に成し遂げた人は稀です。 キャップストーン、競技会、卒業制作で一歩先を行きたいなら、モデルを学習させるだけでなく、その演算が実際のチップの中でどのように動くのかを自ら作り、証明できなければなりません。この講義は、まさにその点、理論と実物ハードウェアの間のギャップを埋めるお手伝いをします。 MNISTの数字を認識するニューラルネットワークアクセラレータ（NPU）を、スペックの読み解きからPythonゴールデンモデル、Verilog RTL設計、FPGA検証まで、最初から最後まで自ら完成させます。ラインバッファと並列MACで作るConv層、ReLU・MaxPool・Flattenを経て全結合層とArgmaxまで — 9つのブロックを一つのチップに統合し、"Pythonの正解とハードウェアの出力が1ビットも違わない（Bit-True）"ことを自ら証明します。シミュレーションは正常に動くのに結果だけが微妙に異なる、そんなもどかしい瞬間を乗り越える方法まで講義に込めました。 整数量子化、配列の軸順序の変換、アキュムレータのオーバーフロー防止など、一般的なディープラーニングの教材では扱われない実戦的なノウハウを一つずつ解説します。私はRISC-V CPU設計とFPGA Bit-True検証を長年手がけてきた中で経験した試行錯誤を、皆さんが繰り返さないようこの講義に凝縮しました。講義が終わる頃には、"自ら設計し、証明した"と言える完成されたハードウェアプロジェクトが手元に残ります。

FPGAとVerilogは学んだものの、「それで、AIアクセラレータをどうやって直接作るのか？」という段階で立ち止まってしまう方が多くいます。この講義はその疑問を解消します。普及型FPGA一枚と無料ツールだけで、手作業で設計した3×3カーネルから始まり、CNNを直接学習させ、学習済み重みをINT8に量子化してハードウェアに実装した後、Pythonモデルと1ビットの狂いもなく一致するか（Bit-True）まで検証します。半導体業界30年の経歴を持つ現職教授として、実際のFPGAで検証した内容のみを「動作する回路」として教えます。理論ではなく、自ら設計し証明する経験を通じて、ファブレス設計・AI半導体分野で通用する実践的なスキルを身につけることができます。

Verilogの文法は学んだものの、「それで何を作ればいいのか？」で立ち止まっている方のための講座です。FPGAボード1枚で、デジタル時計、超音波距離センサー、OLEDディスプレイ、リアルタイムカメラ映像まで、4つのハードウェアを直接設計します。出力から入力・制御、ディスプレイ、映像へと難易度を上げながら、目に見える成果物を作ることでデジタル設計を体得します。半導体業界30年の経歴を持つ現職教授が、実際のFPGAで検証済みの内容だけを教えます。

머신러닝을 배우면 정확도를 높이는 방법을 익히게 됩니다. 하지만 그 모델을 실제 칩에 올리려는 순간, 아무도 알려주지 않았던 질문이 남게 됩니다. 이 모델은 곱셈을 몇 번 수행합니까? 무엇을 얼마나 기억하고 있어야 합니까? 현재 목표로 하는 칩 스펙이 그 요구사항을 감당할 수 있습니까? 머신러닝 교재는 정확도를 다루고 반도체 교재는 회로를 다루지만, 그 사이를 잇는 자료는 드뭅니다. 저는 RISC-V CPU와 NPU를 FPGA로 구현하면서 이 간극을 반복해서 마주쳤습니다. 정확도가 가장 높은 모델이 정작 보드에는 들어가지 않는 상황 말입니다. 본 과정에서는 여섯 개의 알고리즘을 파이썬으로 직접 만들어보면서, 만들 때마다 곱셈, 비교, 메모리 사용량, 정확도를 측정합니다. 그리고 그 값을 실제 FPGA 보드의 자원으로 환산합니다. '곱셈 몇 번'이라는 표현만으로는 그 크기를 가늠하기 어렵지만, '보드의 몇 퍼센트'라고 하면 판단이 서기 때문입니다. 아홉 개의 Lab을 거쳐 여섯 개의 모델을 한 표에 모아보면 예상과 다른 그림이 드러납니다. 곱셈을 세는 데 아홉 편을 할애했지만, 정작 발목을 잡는 것은 곱셈이 아니었습니다. 이후 실수를 정수로 낮추고, 자릿수를 관리하며, 회로를 채점할 기준까지 마련합니다. FPGA 보드는 필요하지 않습니다. 파이썬만으로 진행하며, 보드는 측정값을 환산하는 기준으로만 사용됩니다.

オープンソースベースの最新CPUアーキテクチャであるRISC-Vの核心概念と実用的なヒントを、分かりやすく詳細に説明します。

システムソフトウェアの基本中の基本、最新Armアーキテクチャ（Armv8-A、Armv7-A）の核心を『システムソフトウェア開発のためのArmアーキテクチャの構造と原理』の著者がしっかりとお教えします！

Verilog を使用した FPGA の実装

オープンソースベースの最新CPUアーキテクチャであるRISC-Vの核心概念と実用的なヒントを、分かりやすく詳細に解説します。

オープンソースベースの最新CPUアーキテクチャであるRISC-Vの核心概念と実用的なヒントを、わかりやすく詳細に解説します。

サムスン電子の現職者が教えるデジタル・アナログ回路設計の基礎と実務！ 回路設計用語集、詳細な職務の選び方、職務面接の対策法まで、すべて手に入れましょう！

私たちが語る0と1、HIGHとLOW、論理ゲートとフリップフロップは すべてアナログ信号が閾値を超える物理的事象から生まれます。 それならば、論理以前の世界 — 電流と電圧が作り出す動きを理解することが 本当の回路設計の始まりではないでしょうか? この講義はその第一歩を共にします。

システムソフトウェアで最も多く使われている、最新のリナックスカーネル(v6.1)のプロセスの核心概念を、「デバッグを通じて学ぶリナックスカーネルの構造と原理」の著者が詳しく解説します。

UARTは最も基本的で広く活用されているシリアル通信方式であり、FPGA設計に初めて触れる初心者にとって非常に適した学習テーマです。本講義では、UARTの通信原理とフレーム構造を詳細に理解し、これを基にRTL(Register Transfer Level)設計を通じて送受信ロジックを直接実装する過程を進めます。FPGA上でUARTを実装することで、デジタル回路設計能力を体系的に養い、シミュレーションおよび検証を通じて実際のハードウェアレベルでの動作を確認する経験を積むことができます。また、Soft ProcessorであるMicroBlazeとXilinx UART IPを活用した方式も共に学習し、プロセッサベースのシステム設計フローおよびインターフェース構成を幅広く理解するようになります。これにより、論理設計とプロセッサ設計を網羅する包括的な開発能力を身につけることができます。

半導体という技術分野を超えて、一つの企業が世界を動かす方式を立体的に眺める。単純な技術説明を超えて、なぜアメリカ・中国・台湾が半導体をめぐって激突するのかを分析し、TSMCがどのように市場を主導する圧倒的な差を作り出したのかを実際の事例を通じて扱う。創業者モリス・チャンのリーダーシップとTSMCの成功戦略を中心に、技術と経営を統合的に理解できる機会を提供する。

✅ 全体(1)~(7)のシリーズのうち、(1)コンピュータの役割の変化、階層、抽象化、PC構造

AI Tech DNA Series：AIの視点から見るコンピュータ基礎の核心原理は、AI時代に必要なコンピュータの基本概念を最も簡単に理解できるように作られた入門講座です。 CPU・メモリ・ストレージ・ネットワーク・データ構造などの基礎原理を、日常生活の比喩とAIの視点に結びつけて説明し、Python・AI・セキュリティ・クラウドへと進むための強固な基礎体力を養います。

コンピュータハードウェアの基本構造と動作原理と設計方法とOSの部分を学び、良いプログラムを作成するために必要な知識を築くことができます。

本講義はDDR Memory Arbiterを実装します。

この講義により、受講生はコンピュータアーキテクチャの基礎を固められると期待されます。

スイッチ一つから始まり、計算、記憶、命令を処理する装置を一つずつ直接作りながら、私たちが毎日使うコンピューターがどのように構成されているかを深く理解することができます。コンピューター科学の核心概念を一つに繋いでみる統合的な経験を求める方々にお勧めします。 この講義は世界的に有名なNand2Tetris講義の韓国語バージョンであり、原著者の許可および要請に基づいて構成されました。 キーワード: Nand, HDL, ALU, PC, RAM, CPU

非専攻者のためにプログラミングに敷かれた知識であるコンピュータ構造の原理を説明する講義です。 講義の目的は、プログラムの動作の原理に精通していることです。

SW開発者が知っておくべきコンピュータ構成と動作原理の核心を、図解で分かりやすくお伝えします。

ベストセラー『一人で勉強するコンピュータ構造+オペレーティングシステム』作者無料直講。 開発者が必ず知っておくべきコンピュータ構造、オペレーティングシステム専攻書まとめ集。

もし、ITインフラストラクチャ（サーバー、ネットワーク、ストレージなど）の技術について理解していないので、何かを経験したことはありませんか？ ITインフラストラクチャがどのように構成され、どのテクノロジが適用されているかを理解したいですか？ ITインフラを構成する様々な技術について説明する国内唯一の講義です！