CPUの電圧を下げてPC静音化
去年の秋ごろ自作PCを組んだ。Ryzen 5900Xを搭載していて高性能な代わりに、それ相応の熱を放っている。冬の寒い時期はその温風も心地良かったが、温かくなってくると不快だしファンもうるさい。マザボのユーティリティソフトでファンの回転数を抑えることで騒音の方は少しだけ軽減してお茶を濁してきたが、夏が近づきどんどん暑くなってきて根本的に解決をしたくなってきた。
そこでCPUの電圧を下げてそもそもの発熱量を下げることにした。先述のユーティリティでデフォルトでオートとして1.4V弱ほどが指定されていたが、手動で1.2Vまで下げてみた。
元のコア電圧と温度とファン回転数
現在のコア電圧と温度とファン回転数
この操作で軽負荷時でも70℃程ありファンが1200rpmで回転していた状況から、60℃程でファンが800rpmで回転する状況まで改善した。吹き出る温風の温度と量が減りファンも静かになったので体感もかなり改善された。
安定性が気になるのでOCCTをしばらく回してみたがエラーは検出されなかった。もうちょっと電圧の設定を詰めれる気がするが、また気が向いたときにやろう。
ちなみにCPUコアの発熱がいかにヤバいか太陽と比較した記事を過去に投稿してるのでそっちも見てね。
c++の未定義動作を利用してコンパイラと最適化オプションを推測
この記事はKMC Advent Calendar 2019 - Adventarの20日目の記事です。
adventar.org
前回の記事はpastakさんのウェブページの表示を遅くなくしたい時の道標 - ぱすたけ日記でした。
はじめに
こんにちは、id:kazakamiです。今年は自作基板を発注して自作キーボード作ったりしていて、そのことをアドベントカレンダーに書こうかとも思いましたが、ググれば情報結構出てきそうなので別の話題を書くことにしました。
さて、みなさんは書いたコードがコンパイラや最適化オプションの違いによって想定通り動いたり動かなかったりした経験はあるでしょうか？そのような事故はコンパイラのバグを踏んでいるのでなければ、未定義動作に起因することが多いと思います[要出典]。今回はそんな未定義動作を利用してコンパイラや最適化オプションを推測してみます。
出来上がったソースコードがこちらになります
#include <iostream> int uninit() { int x; return x; } void piyo() { int x = 56562; return; } int main() { piyo(); int i = uninit(); // std::cout << i << std::endl; if (i == 0) { std::cout << "Optimised by gcc" << std::endl; } else if (i != 56562) { std::cout << "Optimised by clang" << std::endl; } else { std::cout << "No Optimised" << std::endl; } }
gcc/clangで最適化なし、gccで最適化あり、clangで最適化ありの3パターンを識別します。未定義動作を利用しているのでお手元の環境ではうまく動かないかもしれません。
検証環境
解説
今回はハマりがちな未定義動作No1[要出典]である未初期化の変数の値を用いる時の動作を利用します。関数uninit()は初期化してない変数xをそのまま返しています。そして関数main()から呼び出され、その値を変数iに代入しています。上記の識別する3つの場合について、このコードをコンパイルするとどのようなアセンブリが出力されるか見てみましょう。
gcc/clangの最適化なし
最適化せずにコンパイルするとgcc/clangともに同じようなコードが出力されます。gccでコンパイルした場合の各関数のアセンブリの重要な部分を抜粋したものを見ていきましょう。
まずはpiyo()。
movl $56562, -4(%rbp) ret
これはスタックの一番目（関数一番目のローカル変数であるxに対応する部分）に値56562を代入しています。
次にuninit()。
movl -4(%rbp), %eax ret
スタックの一番目の値をレジスタeaxに代入しています。
最後にmain()の冒頭部分。
call __Z4piyov call __Z6uninitv movl %eax, -4(%rbp) cmpl $0, -4(%rbp) jne L6 （中略） jmp L7 L6: cmpl $56562, -4(%rbp) je L8 （中略） jmp L7 L8: （中略） L7:
piyo()とuninit()を呼び出した後にeaxレジスタの値を用いて条件分岐しています。main()からはpiyo()を呼んで戻ってきた直後にuninit()を呼んでいるので、uninit()の実行時にはスタックの一番目に56562が入っている状態となって、eaxには56562が代入されて帰ってきます。元のソースコードの条件分岐に従い"No Optimised"が出力されます。
gccで最適化あり
出力されるアセンブリを見ると条件分岐は消えて、"Optimised by gcc"を出力する部分のみ残っていました。
また元ソースコードのコメントアウト部分のコメント化を解除して変数iの内容を出力させると、
xorl %ebx, %ebx
という部分が出現し、ebxの値を出力するようになっていました。
これは自分自身とのxorをとって自分自身に代入するという意味で、レジスタの値を0にするのによく用いられるコードです。
どうやらgccでは最適化オプションを有効にすると、未初期化の変数の値は0とするようです。
clangで最適化あり
gccの場合と同様条件分岐が消えて"Optimised by gcc"を出力する部分のみ残ってましたが、よりヤバイ最適化をするようです。例えばこんなコードをclangで最適化ありでコンパイルしてみてください。
#include <iostream> int main() { int i; std::cout << i << std::endl; if (i != 0) { std::cout << "i is not 0" << std::endl; } else { std::cout << "i is 0" << std::endl; } }
これを実行すると
-394856040 i is 0
などと表示されると思います。未定義動作なので、iは出力すると0以外の数値になるけど(i != 0)はfalseになっても良いわけですね。どうやら条件分岐のどの部分を残すかは順番だけ見てそうなので、元のソースコードでは色々と条件式の順番を変えて"Optimised by clang"が残るようにしました。
【備忘録】windowsでElite-C用のプログラムを書いて書き込むまでのメモ
ソフトウェアとドライバ
プログラムを書いたりコンパイルしたりするのにはArduino IDE、ドライバと書き込みはFLIP。
Elite-CをPCに繫いでデバイスマネージャを開き、atmega324uを右クリックしてドライバのインストールを選択。
ドライバのディレクトリとしてflipをインストールしたディレクトリを選択するとインストールされる。
コンパイル
ArduinoIDEでのコンパイルはボードとして"Arduino Leonardo"を選択。
書き込み
flipを起動してdeviceからAtmega32u4を選択。
Elite-Cを接続して、USBコードのアイコンからUSBを選択しOpenをクリック。
本に矢印が向かってるアイコンからbootstrapが無いほうのhexファイルを選択。
Runボタンを押して書き込んだ後、ケーブルを抜いて再接続するとプログラムが起動する。
今作ってるゲームエンジンについて
皆さんこんにちは、Kazakami_9です。
この記事はKMC Advent Calendar 2018 - Adventarの23日目の記事です。
先日はかたおーしゃんさんの
kaptambns.hatenadiary.jp
になりました。
はじめに
皆さんゲーム制作ってしたことありますか？ゲームを作るとき何かしらのゲームエンジンやツールを使うことが多いと思います。私は2012年に大学に入ってからサークルでXNAを使ってゲームを作ろうとしていました。しかし、XNAを頑張って習得していたさなか突如XNAが死亡してしまいます。このことによって私は既存のツールに依存することにトラウマのようなものを感じるようになりました。その結果、自分でゲームエンジンを作る・オープンソースとして公開し誰でも維持できるようにすることが目標となりました。始めはc++/OpenGLで書いていこうとしましたが、プレイヤにダウンロード・インストールを意識させないブラウザゲームに魅力を感じTypeScript/WebGLで開発していくこととなりました。名前はnew gameの登場人物桜ねねさんに由来し、「ねねエンジン」としています。
概要
ねねエンジンは描画ライブラリとしてthree.js - Javascript 3D libraryを、物理演算ライブラリとしてCannon.jsを利用し、TypeScriptで記述されています。また、ソースコードはgithubで公開しています。
github.com
npmパッケージとしても公開しています。
www.npmjs.com
ねねエンジンではUnitというクラスを継承したものを1キャラクタなどの処理の1単位として用い、Unitを継承したクラスのインスタンスははSceneを継承したクラスのインスタンスに属します。複数のScene継承クラスのインスタンスの内どのクラスを有効化しておくかでゲームシーンの切り替えを行います。
これが簡略化したクラス図です。
サンプル
サンプルを交えて使い方を紹介していきます。
hello.ts
helllo.tsがこんにちは世界的なサンプルです。
import * as nene from "nene-engine.ts"; import * as THREE from "three"; class InitialScene extends nene.Scene { public Init() { this.backgroundColor = new THREE.Color(0x6688cc); } public DrawText() { this.core.DrawText("Hello, World!", 0, 0); } } nene.Start("initial", new InitialScene());
InitialSceneクラスは初期化処理で背景色を青っぽい色にして、文字描画処理にて"Helo, World!"と描画しています。注意事項として、ねねエンジンでの2次元座標は、画面中心を原点・上がy軸正方向・右がx軸正方向となっています。hello.htmlを開くとでは青色の画面で中央に"Hello, World!"と表示されるはずです。
units.ts
units.tsは3Dモデルを読み込んだりUnitクラスを用いたりするサンプルです。
まずはInitialSceneクラスを見ていきます。
class InitialScene extends nene.Scene { public Init() { this.backgroundColor = new THREE.Color(0x6688cc); this.onLoadError = (e) => {console.log(e)}; this.core.LoadGLTF("resources/ball.glb", "ball"); } public Update() { if (this.core.IsAllResourcesAvailable()) { this.core.AddAndChangeScene("game", new GameScene()); } } public DrawText() { this.core.DrawText("Now Loading!", 0, 0); } }
Init関数にてGLTF形式の3Dモデルの読み込みを開始するLoadGLTF関数を呼び出しています。この関数は非同期に3Dモデルを読み込みま、読み込み後にモデルを呼び出すための文字列をキーとして指定します。現在他にもOBJ形式を読み込むLoadObjMtl関数も用意しています。3Dモデルデータのほかに画像ファイルやテキストファイルも非同期に読み込む関数を用意しています。
Update関数では非同期に読み込んでいるすべてのリソースが読み込み完了しているか取得するIsAllResourcesAvailable関数を用い、読み込み完了していればGameSceneインスタンスを生成してシーン遷移します。
次にGameSceneクラスを見ます。
class GameScene extends nene.Scene { public Init() { this.backgroundColor = new THREE.Color(0x6688cc); this.camera.position.set(0, 100, 100); this.camera.lookAt(0, 0, 0); const light = new THREE.DirectionalLight("white", 1); light.position.set(50, 100, 50); this.scene.add(light); } public Update() { if (this.frame % 60 === 0) { this.AddUnit(new Ball()); } } }
Init関数では背景色の設定とカメラ位置の指定・光源の追加を行っています。
Update関数ではthis.frameが60の倍数であるときにBallクラスのインスタンスを生成し、自身に追加しています。this.frameはそのクラスのUpdate()関数が呼ばれるたびに1だけ増える変数です。
そしてBallクラスを見ます。
class Ball extends nene.Unit { private obj: THREE.Object3D; private pos: THREE.Vector3 = new THREE.Vector3(0, 0, 0); private speed: THREE.Vector3; public Init() { this.speed = new THREE.Vector3(Math.random(), Math.random(), Math.random()); this.obj = this.core.GetObject("ball"); this.obj.scale.set(300, 300, 300); this.AddObject(this.obj); } public Update() { this.pos.add(this.speed); this.obj.position.set(this.pos.x, this.pos.y, this.pos.z); if (this.frame > 50) { this.isAlive = false; } } }
Init関数で乱数により速度を設定し、"ball"というキーで読み込んでおいた3Dオブジェクトを読み込んでthis.objに束縛し、this.objをAddObject関数によって自身に追加しています。AddObject関数に3Dオブジェクトを渡すと描画の対象となり、このUnitインスタンスが削除された際に自動で描画の対象から外されます。
Update関数ではthis.posにthis.speedを加算し、this.objのpositionに反映させています。そしてthis.frameが50を超えるとthis.isAliveをfalseにします。isAliveがfalseになったUnitインスタンスは次回のtickで削除されます。
そして
nene.Start("initial", new InitialScene());
でゲームエンジンの処理を開始します。
ねねエンジン本体のサンプルコード
ねねエンジン本体のレポジトリのexamplesディレクトリにも複数のサンプルがあります。物理エンジン・GLSLシェーダ・2Dスプライト・マウスやキーボードによる入力・レイキャスト・地形ジオメトリなどのサンプルがあります。サンプルコードは今後も充実させていく予定です。
終わりに
Unityなどの優れたゲームエンジンがある今、個人でゲームエンジンを作るのは浪漫以外の利点は恐らくないです。しかし、オープンソースでブラウザで動いて型の有るいい感じの言語なゲームエンジンは他にはあまりなさそうです。もしかしたら隠れた需要があるかもなんて思っています。ねねエンジンは現在まだ開発途中で機能もドキュメントも少ないですがこれからどんどん充実させていくつもりです。もしねねエンジンを使って何かしらのフィードバックをもらえると幸せです。またissueやpull requestもお待ちしています。
さて明日のKMC Advent Calendar 2018 - AdventarはAotsukiさんのmac book airの速度を犠牲にして容量を増やした話です。お楽しみに！
モイ！ツイキャスのインターン応募前プレテストに参加してみた
皆さんこんにちは、Kazakami_9です。
ツイキャスとか言うのを運営しているモイ！とかいう会社がインターン応募のテストを行っていて、おもちゃとしてよいとのことなので参加してみました。今回はシュッとかいてサッと得点を取ることをメインとしてやっていきます。この記事ではその際に書いたコードについて語ります。
chy72.hatenablog.comのようなガチなものではないのでご注意ください。
テスト問題
よくあるHit&Blowです。手元で生成した文字列をサーバに送って、HitとBlowの数が返ってきます。しかしユーザ側でLevelを3から10の間で設定できます。このレベルは答えの文字数であり、10であれば0~9まですべての文字を1回づつ含んだ10文字の文字列が答えとなります。つまりLevel=10とすると適切な文字列を投げればHitの数+Blowの数は必ず10となり、Blowを無視することができます。Hit&Blowというゲームがお題のはずが、実は"Hit"というゲームをプレイすればいいのです。また成績もLevelが高い方が高くなるため、Level=10以外を選ぶ理由がありません。多分制作側の意図でしょう。知らんけど。
使用する言語
シュッと書きたいという事、HTTPSリクエストを行う必要がある事、JSONを扱う必要がある事、これらの理由から使用する言語としてRubyを選びました。ガチ勢はGoとか使ってるようですが、ゆるふわ勢なのでスクリプト言語でやっていきます。
"Hit"のアルゴリズム
"Hit"を解くためのアルゴリズムですが、シュッと解きたかったのでできるだけ実装の軽そうなものを考えました。ガチ勢は並列化したり、確率を考えて色々やったりしてるようですが、私は面倒なのでしません。
- まず"0123456789"という文字列を作ります
- boolの10要素の配列ok[]を用意してfalseに初期化します
- i=1, j=2をセットします
- ok[i]とok[j]の双方がfalseなら文字列のi文字目とj文字目をswapしてHitの数の変化を見ます
- Hitの値が10なら終了
- Hitの値が2増えたならok[i]とok[j]をtrueにセットします
- Hitの値が2減ったならok[i]とok[j]をtrueにセットしてswapをなかったことにします
- iとjをいい感じに変化させて4に戻る
こんな感じで文字列をスワップさせながらHitの値が2変化すればその2つは正しかったのだろうと推測してスワップ対象から外してループするという感じです。2重ループと配列と文字列のスワップができればいいのでプロコンの第一問程度のアルゴリズムですね。Hitの値が1だけ変化した場合も何とかしてやるべきなんでしょうが面倒なのでしません。
高速化のための工夫
これもまたガチ勢はTLSの暗号化強度を弱くしたり、TCPコネクションを予め沢山張っておいたりなどいろいろやってるようですが、やはり面倒なのでしません。単純ながら効果のある方法としてサーバまでの遅延の少ない東京のVPS上で動かすという事をやりました。結構効果あります。
後はレイテンシが少ない時間帯を狙うくらいです。ping打って1ms台ならよし、2ms超えてれば再走しましょう。
まとめ
完走した感想ですが、こんな け゛ーむに まし゛に なっちゃって と゛うするの(負け惜しみ)。結構楽しいおもちゃでしたが、ガチ勢に勝てなかったのが悔しいです。インターンテストの期間終了して最終的な順位は8位でした。
開示タイムとしてソースコードを乗せておきます。
# coding: utf-8 require 'uri' require 'net/http' require 'json' require 'parallel' $token = "Your Token" def get_id() url = "https://apiv2.twitcasting.tv/internships/2018/games?level=10" uri = URI.parse(URI.encode(url)) https = Net::HTTP.new(uri.host, uri.port) https.use_ssl = true req = Net::HTTP::Get.new(uri.request_uri) req["Authorization"] = "Bearer " + $token res = https.request(req) #puts res.body id = JSON.load(res.body)["id"] #puts id return id end def get_post_req(id) url = "https://apiv2.twitcasting.tv/internships/2018/games/" + id uri = URI.parse(url) https = Net::HTTP.new(uri.host, uri.port) https.use_ssl = true req = Net::HTTP::Post.new(uri.request_uri) req["Authorization"] = "Bearer " + $token return req, https end def attempt(num, req, https) payload = { "answer" => num }.to_json req.body = payload res = https.request(req) return JSON.load(res.body) end #i文字目とj文字目を入れ替えた文字列を返す(i < j) def str_swap(str, i, j) #return str[0, i] + str[j] + str[i+1, j - i] + str[i] + str [j + 1, str.length] new_str = str.dup new_str[j] = str[i] new_str[i] = str[j] return new_str end def main() id = get_id() req, https = get_post_req(id) str = "0123456789" high_hit = attempt(str, req, https)["hit"] puts high_hit ok = [] for i in 0..9 do ok[i] = false end while true for i in 0..8 do do_break = false if ok[i] then next end for j in i+1..9 do if ok[i] || ok [j] then next end new_str = str_swap(str, i, j) a = attempt(new_str, req, https) hit = a["hit"] #puts hit.to_s + ": " + new_str if hit == 10 then puts a exit end if hit == high_hit + 2 then ok[i] = true ok[j] = true end if hit > high_hit then high_hit = hit str = new_str #puts "change!" do_break = true #break end if hit + 2 == high_hit then ok[i] = true ok[j] = true #break end end if do_break then do_break = false break end end end end main()
もし太陽のコアがIntelCoreだったら
春合宿でやったLTスライドの内容についてじっくり語ります。
まず以下がスライドです。
この内容に思い至ったきっかけとしてまずWikipediaの太陽核に関する記述があります。
核での単位時間あたりのエネルギー生産量は、中心からの距離によって変わる。太陽の中心では、核融合の効率はモデルからの推定で、約276.5ワット/m3と見積もられる[3]。太陽の内部における体積あたりの熱生産量の最大値は、コンポストの山の熱生産量密度と比較される程度である。太陽から放出される莫大な熱量は、体積当たりの熱生産量ではなく、太陽全体の大きさに起因する。
このように太陽の体積あたりの熱密度は中心部であってもコンポスト、つまり生ごみの発酵と比較できる程度のものであるそうです。
またハードウェア系の研究室に所属していることもあって現在の半導体の熱密度の大きさは授業でも何回も取り上げられます。半導体は小型化しているので面積あたりの消費電力は大きく増加し続けて冷却方法などの問題を抱えつつあります。
この２つの事柄を合わせて、もし太陽の熱密度が半導体並であればどうなるのかという疑問がわきました。
まず太陽のコアの平均熱密度を求めましょう。
Wikipediaによると太陽の放出エネルギーは3.846×10^26Wでその殆どが中心核で発生しています。また核は半径10万kmだそうです。純粋に割ってやると91w/m^3となります。明るめの電球くらいですね。
次に最新のCPUであるIntel Core i7 8700Kの熱密度を求めます。IntelのデータシートによるとTDPは95Wです。またIntel Core i7-8700K delidded | VideoCardz.comによるとダイ面積は150mm^2だそうです。厚さを1mmと仮定すると体積は150mm^3となり、熱密度は6.3×10^8W/m^3となります。太陽のコアの平均熱密度のおよそ700万倍です。
以上のことから太陽のコアがIntel Core と同等の熱密度なった場合、発生エネルギーは700万倍となります。
輻射するエネルギーも700万倍となると仮定すると逆二乗より2600倍の距離にいれば単位面積当たりの受けるエネルギー量は現在と同量になります。
そして2600倍の距離つまり2600天文単位を公転する場合、公転周期は2600^(3/2)の132574倍、つまりおよそ13万年となります。
次に太陽が700万倍のエネルギー(2.6×10^33W)を生産していた場合の表面温度を雑に計算してみましょう。
まず、太陽は変形せず黒体輻射でのみエネルギーを放出すると仮定して生産エネルギーと放出エネルギーの釣り合う表面温度となるとします。シュテファン=ボルツマンの法則より温度Tの黒体が輻射する1m^2あたりのエネルギーは5.67×10^-8×T^4です。これと太陽の表面積6.08×10^12km^2から表面温度Tの場合太陽が放出するエネルギーが求まります。これと生産エネルギーとの比較により表面温度は290000Kであると求まります。もっと何億Kとか行って欲しかったんですけどエネルギーの1/4乗でしか温度が増えなかったので残念ですね。
最後に290000Kの輝きがどんな感じか推定してみましょう。
プランク分布によりある温度Tでの輻射される各波長の光の強さが求まります。以下のグラフに290000Kの分布を青、実際の太陽の表面温度である5770Kを橙色で示します。
差があまりにも大きかったので片対数グラフで表示しています。見ての通り5770Kでは可視光領域でほぼ平坦なのに対し、290000Kでは波長の短いあたりに鋭いピークがあります。ヴィーンの変位則に基づいて計算するとピークは10nmとなり、これはX線と紫外線の境界上となります。
さてこの290000Kの光を浴びるとどうなるのでしょうか。先ほど2600天文単位まで離れれば単位面積当たりの受けるエネルギー量は現在の地球と同様になると話しましたが、このグラフを見るとエネルギーの大半を紫外線として放出しているので目で見るとかなり暗いでしょう。またオゾンが吸収する紫外線は200nmから300nmまであたりっぽいので290000Kの光に多く含まれる波長の短い紫外線は地表にほぼそのまま降り注ぐでしょう。死んでしまいますね。
この有害な紫外線をあまり受けなくて済むような距離まで離れると、今度は受けるエネルギー総量が少なくなり過ぎそうですし、290000Kの太陽にはハビタブルゾーンなさそうですね。
まとめ
- 太陽は熱密度は大したことないが体積が膨大なので総エネルギー量が大きい。
- CPUの熱密度はかなり大変な領域にまでなっている
- 290000Kは最早輝きの向こう側
MinecraftでFPGA
この記事は KMC Advent Calendar 2017 - Adventar の17日目の記事です。
昨日の記事はCHY72さんの競プロに疲れた人のNim言語 - (/^^)/⌒●~*$ a(){ a|a& };a です。Nimいいですね、いいです、すごくいいです。
はじめに
今日の記事を担当します📛(KMC_id:kazakami)です。1回生です。(学部1回とは言ってない)
最近後輩がサーバ管理の練習のためにマイクラサーバ建てたりしたこともあってマイクラ熱が再び湧いてきてます。マインクラフトではいろいろな人が色々なものを作っていますが、「minecraft FPGA」でググってもそれらしきものが出てこなかったので新規性チャンスと思いやってみました。
FPGA
FPGA(field-programmable gate array)とは動的に回路の構成を変更可能な回路の一種です。典型的なFPGAは再設定可能な論理セルと再設定可能な配線セルから構成されています。詳しくはググってください。
Minecraft
知っている人が多いと思いますが、Minecraftとはブロックを設置・撤去して地形破壊したり建物立てたりできるゲームです。このMinecraftには”レッドストーン”という要素があります。レッドストーンを並べて作った配線はスイッチやボタン等で活性化することができ、これによって扉の開閉を行ったりピストンを動かしたりできるようになってます。レッドストーンはいい感じに組み合わせることでNOT回路やOR回路を作ることができます。つまりチューリング完全です。
レッドストーン回路
レッドストーンの配線はスイッチによって活性化されます。
ただしこれは距離の制限があり15ブロックまで活性化しません。
この画像を見ると上の方では赤く光っていません
そこで15ブロックより遠くまで信号を伝達するためにリピータと呼ばれるブロックを挟むことになります。実はこれがかなり厄介で、信号の伝達遅延はかなり大きくなり、また信号を片方向にしか伝達できなくなります。
取敢えず作ってみる
小さな構成で作ってみます。
■が論理セル・〇が配線セルで、このように論理セル4個とその周りを囲む21個の配線セルからなる設計とします。この規模だとかなり小さな回路しか構成できませんが、まぁ動けばいいんです。
論理セル
論理セルはこのように3-bit LUTを1つだけ含むような構成とします。
マイクラで実装するとこのようになります。白羊毛部分がデコーダで黒羊毛部分がメモリとなっています。黒羊毛上のスイッチで0と1を指定します。
配線セル
配線セルはこのような構成となります。先述の通りレッドストーンの配線は片方向にしか信号を伝達できないので入力同士・出力同士をつなぐスイッチがありません。
シアンの羊毛上にスイッチが置かれています。
全体の実装と動作テスト
実装した論理セル配線セルをシュッとコピーして並べて完成です。
並べるとかなり論理回路っぽく見えますね。
折角作ったのでこのFPGA上に回路を構成しましょう。今回は試しにSRラッチ回路を構成します。LUTを1個使いNORを表現するので、LUTを2個も使った贅沢なラッチ回路になります。
右側のスイッチがSet入力、左側のスイッチがReset入力、真ん中が出力となっています。
Set信号を入力をオンにすると出力もオンになります。
Set信号をオフにしても出力はオンで維持されます。
Reset信号をオンにすると出力はオフになります。
ラッチ回路が構成できました！！！
改善案
今回作った回路は5×5の25個のセルを並べておきながら論理セルが4個しかないため大した回路が作れませんでした。配線セルの信号伝達遅延もかなり大きいことから、ただ信号を伝達するだけでなく演算しながら伝達した方が無駄も少なくなるのではと考えられます。そこで論理セルと配線セルの区別をなくし単一の汎用セルを並べることで同じ回路面積でもより多くの種類の回路を構成可能にしようと考えました。
この汎用セルは4-bitのLUTを1つ含みます。このセルは上で示した論理セル・配線セルのどちらの機能の実現できます。これによって同じ5×5の回路面積でもより大規模な回路を構成可能になるはずです。
しかしこの設計の汎用セルでは依然としてラッチやフリップフロップを構成するのに複数のLUTを消費して実現しないといけません。別途DFF等をセルに組み込めば解決するかもしれませんが、レッドストーンの配線が高遅延であるためマイクラにおいては全てのセルに同時にクロック信号を入力するのが難しいのです。これの解決はskewed clockを使ったりすればいいのかもしれませんが今後の課題とします。
最後に
FPGAのプロやマイクラの強い人から見ると突っ込みどころ満載かもしれないので、「この分野には詳しくないのですが～」みたいな質問が来ないか戦々恐々としてます。とはいえ、マイクラでFPGAという分野に関しては多分他に誰もやっていない以上私が第一人者です。皆さんも誰もやっていないような組み合わせを見つけて雑に新規性していきましょう。
明日の KMC Advent Calendar 2017 - Adventar はwalkureさんで「まぁいけるやろ。」です。いけるいける。大丈夫大丈夫。知らんけど。
