Микроэлектроника и флейта. Педагог из Омска и инженер из Сан-Хосе реализуют совместный проект

В Бишкеке пройдёт масштабный семинар IT-индустрии, в котором ключевую роль сыграет флейта из Омска. С 1 по 3 августа в Бишкеке (столице Кыргызстана) пройдёт масштабный семинар IT-индустрии Американского Университета в Центральной Азии и Siemens EDA "Модели бизнеса и основы технологий микроэлектроники для Центральной Азии". На одном из занятий семинара участники будут распознавать мелодии с помощью плат с микросхемами реконфигурируемой логики. Такие платы используются в ведущих мировых и российских вузах (MIT, Стенфорд, МИЭТ и другие) для подготовки будущих проектировщиков микросхем для смартфонов и др. Организатором семинара выступает старший инженер по проектированию графического процессора на уровне регистровых передач в Лаборатории передовых вычислений компании Samsung Юрий Панчул. Музыкальную часть программы для семинара разработала омский педагог по классу флейты Мария Беличенко. Необычность занятия заключается в том, что звуки и мелодии флейты распознаёт не программа на обычном компьютере или смартфоне, а голое "железо", электронная схема, сконфигурируемая в так называемой Программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Микросхемы такого рода используются для образования, прототипирования массовых микросхем и обработки сигналов (радар, сонар, видео). Специально для "Омск Здесь" Юрий Панчул и Мария Беличенко рассказали, как и зачем возникла идея соединить и без того два непростых мира: микросхем и живой музыки. Юрий Владимирович, как возникла идея организовать семинар? - Основная моя работа - участие в разработке графического процессора, который стоит в смартфонах, и ускоряет вывод на экран графики, прежде всего для игр. Я отвечаю за аппаратный блок, часть микросхемы размером в доли квадратного миллиметра, который пересчитывает координаты тысяч цветных треугольников, из которых состоят монстры и обстановка в трёхмерных шутерах. Сама по себе игра - это программа, которая работает на центральном процессоре телефона. Когда центральному процессору не хватает производительности, он перекладывает некоторые задачи, например, одновременный поворот всех треугольников для получения перспективы, на графический процессор, который делает такие специальные операции гораздо быстрее. Образовательные семинары для школьников и студентов - это деятельность, которой я занимаюсь последние 10 лет и которая не связана с моей работой в компании Samsung и его официальными образовательными программами. Это моя общественная нагрузка в свободное время. При этом, как работающий инженер, я знаю, какие упражнения помогут вырастить из молодого человека успешного микроархитектора чипов. Я организовывал семинары в США, России, Украине и Казахстане, и вот теперь в Кыргызстане. В чём уникальность семинара? - Хотя на наших семинарах студенты работают с платами и пишут код, эти упражнения принципиально отличаются от занятий с Arduino и Raspberry Pi. В этих случаях студенты пишут программы для уже готовых процессоров. На наших же семинарах мы обучаем, как конструировать процессоры. Мы даём им плату с микросхемой ПЛИС, в которой никакого процессора нет, это просто набор логических ячеек, между которыми можно программировать соединения. Студенты используют так называемый язык описания аппаратуры Verilog, который превращается в схему таких соединений. Несмотря на то, что упражнения с ПЛИС используются для обучения студентов в университетах, их очень трудно сделать интересными. В типичном курсе сначала идут упражнения с миганиями лампочками, а потом студенты занимаются конструированием процессора, что достаточно сухой материал. Для всех, кроме самых целеустремлённых. На нашем семинаре мы пробуем сделать введение более интересным с помощью занятий с музыкой и графикой. Почему для технических работ решено привлечь живую музыку. Как это работает? - Само по себе распознавание музыки - не новость, но оно чаще всего делается программой, а не аппаратной схемой. Например, широко известный Shazam. Это программа, работающая на обычном процессоре. Она сложная и гибкая, и мы не пытаемся сделать Shazam. Мы делаем очень сильно упрощённый её вариант, НО чисто аппаратный, как пример для будущих проектировщиков аппаратуры. Некоторые продвинутые вузы дают упражнения по распознаванию музыки на ПЛИС в качестве курсового проекта. Например такой проект можно найти в курсе 6.111 Массачуссетского Технологическиго университета . Также упражнения на ПЛИС с обработкой звука популярны на международном конкурсе Innovate FPGA, который проводит компания Intel. Но использование музыки в комбинации с микросхемами ПЛИС сразу в начале вводного курса - это инновация именно нашего семинара. Чтобы привлечь тех, кто ещё не сделал выбор, идти ли ему в программирование или в проектирование чипов, и показать, что в проектировании можно делать умную аппаратуру. Почему в качестве музыкального инструмента выбрана именно флейта? - С одной стороны, у флейты очень чистый звук среди всех музыкальных инструментов. С другой стороны, он более живой, более интересный для работы, чем звук, синтезируемый, например, приложением в телефоне. Как вы знаете, звук - это колебание давления воздуха, и график такого давления выглядит как наложение нескольких синусоид гармоник. У флейты мало шумов, и достаточно просто определить, где этот график пересекает ось координат, чтобы определить период главной гармоники и, следовательно, ноту. При этом, конечно, звук флейты нужно немного фильтровать, в отличие от пластмассового звука, синтезируемого приложением в телефоне. Дальше можно построить схему, которая называется конечный автомат, она будет следить за последовательностью нот и определит мелодию, сравнивая с известными последовательностями. Именно такого рода конечные автоматы будут конструировать и тестировать участники семинара для разных мелодий. Мария Беличенко родилась в Омске, в семье профессиональных музыкантов. По её словам, занимается музыкой столько, сколько себя помнит. Закончила музыкальную школу по классу фортепиано и флейты, но выбор остановила на флейте, получив высшее музыкальное образование на этом инструменте. На решение повлиял отец - заслуженный деятель культуры, тромбонист Вячеслав Викторович Борисов. Мария Беличенко уже выступала во время семинаров в Школе синтеза цифровых схем в Сколково и в московском университете МИРЭА. Программы этих семинаров были разработаны Марией в соавторстве с Юрием Панчулом, а также Виктором Прутьяновым - разработчиком курса для МФТИ и инженером в SberDevices, Евгением Певцовым и Семёном Москоленко, преподавателем и студентом московского университета МИРЭА. Как вы попали в международный образовательный проект в сфере технологий? - Я педагог и руководитель музыкальной студии, работаю, можно сказать, со всем миром. У меня есть ученики во многих городах России, а также в Америке, Испании, Франции. Один из моих учеников - Юрий Владимирович Панчул, живёт в Калифорнии. Он не только большой профессионал в сфере ИТ-индустрии, но ещё и человек, который уважает и ценит искусство во всех его проявлениях. У него и возникла идея соединить музыку (в данном случае живое звучание флейты) и микроэлектронику. Так я попала в проект. Апробировали мы этот проект первый раз в Сколково, а затем в Институте МИРЭА её обогатили. Я составила и записала музыкальные видеонарезки композиций для участников онлайн. Сколково - это пилотный проект, который сейчас набирает обороты. Бишкек - одна из точек осуществления этого проекта. Есть планы проводить данный семинар в других странах и городах, но уже в более усложнённом варианте как с технической стороны, так и с музыкальной. Меня этот проект заинтересовал, поскольку я - человек не кабинетный. Люблю, когда есть возможности для роста и есть результат. Иначе не вижу смысла заниматься каким-либо делом. Что именно вы делаете в проекте? - Я отвечаю за музыкальную часть. Флейта - это живой инструмент, она дышит. При игре она нагревается от выдыхаемого воздуха, в паузах остывает, в этом заключается сложность определения платами высоты звуков, так как плата должна распознать то, что играет инструмент. Сначала это простейшие задания, трезвучия, интервалы. А потом уже идёт более сложный блок с распознаванием мелодий. Я подготовила программу из отрезков произведений, которые мы тестируем и программируем для платы. Отрезок - это завершённое музыкальное предложение, состоящее из восьми тактов. Плата эту мелодию распознаёт и выдаёт ее в буквенном обозначении. Здесь наблюдается связь музыки и микроэлектроники, потому что в обоих случаях присутствуют как буквенные обозначения, так и понятие тактов, которые существуют не только в музыке, но и в микроэлектронике. Только на гораздо более сложном уровне. Как настраивается взаимопонимание со студентами-технарями? - Мы легко понимаем друг друга. Представители технического мира – очень благодарные слушатели. Многие из них никогда не слышали флейту так близко – инструмент экзотический, с глубоким бархатным звучанием. Это вызывает восторг. На семинарах я провожу мастер-классы по изучению инструмента. С одним из участников, достаточно взрослым, мы разучили небольшое произведение. Он был в восторге от того, что у него получилось. На семинаре я играю не только на поперечной флейте, но и на продольной – блокфлейте. Для участников мы закупаем блокфлейты. Раздаём их всем желающим семинара для ознакомления с инструментом и выполнения домашних заданий с платами. Как показала практика, в конце семинаров заготовленных флейт у нас не остаётся. Желающих обрести этот инструмент для личного развития много. Что касается духовной составляющей нашего технического проекта, то звуки флейты вносят новые краски и живой интерес в мир технарей. Моя задача – заинтересовать их музыкой, инструментом, показать, что и в своей среде можно развиваться в разных направлениях. Моё глубокое убеждение: ничто так не развивает интеллектуально и духовно, как музыка. Что для вас значит флейта? - Флейта для меня всё! Когда я только начинала заниматься на этом инструменте, подумать не могла, что это будет вся моя жизнь. Это то дело, которым я должна заниматься. Было время, когда я уходила из профессии и даже была категорична, что не вернусь. Но судьба меня вернула. Позже я поняла, что нахожусь на своём месте. И больше сомнений у меня не возникало. Сейчас всё подчинено ей, моей любимой профессии. И дома, и на работе, и в студии присутствует музыкальная и флейтовая атрибутика. Как исполнение давнишней детской мечты, которую мне помогли вспомнить и осуществить мои друзья и наставники Малика Абдрашевна Турманова и Ерофеева Татьяна Дмитриевна, родилась студия "Музыкальная студия Марии Беличенко" , где игре на любимом мной музыкальном инструменте учатся дети и взрослые. Теперь это дело всей моей жизни. На каком инструменте, кроме флейты вы играете? - Я ещё обучаю игре на фортепиано, синтезаторе. Есть у меня мечта, которую я реализую – это освоение саксофона. Это ближайшие планы развития в музыке. Что главное для вас в обучении учеников игре на флейте? - Со стороны ученика это желание научиться, а с моей стороны - это безусловная любовь к своему делу и к своей профессии. Без этого не стоит кого-то учить. У меня всегда тёплые и дружеские отношения с учениками, как с детьми, и со взрослыми. Я считаю, что главное в обучении - это привить им любовь к музыке и понимание искусства в целом. Флейта является одним из древнейших музыкальных инструментов. Продольная флейта была известна в Египте ещё пять тысяч лет тому назад. В 2008 году при раскопках на юго-западе Германии археологи обнаружили флейту возрастом около 35 тысяч лет.