CPU DIY

CPU 示意圖,非文中所述純手工 CPU。

【為什麼我們要挑選這篇文章】我們的 CPU 大多是買現成的,但有神人為了了解 CPU 如何執行二進位運算,就買了二極體、三極體(電晶體)、電阻等材料,花了半年的時間,從零到有打造運算邏輯單元(ALU)、暫存器和控制等零件,組成一個 CPU,連程式都是自己用手寫的。雖然以「製程」來說,這個 CPU 是 2.54 mm,遠不及台積電的 5 奈米,但能夠自己手工做,這個工程師的實力與耐性已經遠勝大部分的同儕了。(責任編輯:郭家宏)

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作者:量子位

一個人,到底能肝到什麼程度?

最近 B 站上大紅的一個影片,或許給了這個問題一個完美詮釋:

純!手!工!自製 CPU!

這位叫做「奶味的」Up 主(上傳影片的作者),耗時整整半年,用他那雙勤勞的雙手,「逐點」銲接,最終打造出了一個完整 CPU!

手工做一個 CPU 能用嗎?

當然可以,他還做了一個 demo 展示,來看一下效果吧。

純手工「肝」出一個 CPU,還成功運行了流水燈效果,直接引發了一大波網友們的驚呼:

「肝帝!焊武帝!」

「人長在肝上了!」

接下來,讓我們一同看下「肝帝」自製 CPU 的完整過程。

純手工自製 CPU,要處理運算邏輯、暫存器和控制等組件

其實在發佈這個影片之前,Up 主便在貼吧中「開玩笑」的說了句:

「CPU 太貴了,買了顯卡就買不起 CPU,手工做個出來……」

萬萬沒想到,真的是說幹就幹。

據這位 Up 主介紹,他主要採用了 3 個原材料:二極體、三極體和電阻。

通常來講,CPU 的結構可以大致分為運算邏輯單元、暫存器部件和控制部件等。而他最先下手的,就是 CPU 的暫存器部分。

Up 主設計了一個 6 位元的移位暫存器:

它的作用不僅能是用來儲存,還能在時鐘信號的控制下,將數據進行進行逐次右移或左移。

簡單來說就像是一個交警,當數據從一個方向進來的時候,這個移位暫存器可以指揮它什麼時候該往哪裡走。

Up 主處理的第二個結構,是程式計數器 (PC)。它的作用簡單來說,就是記錄程式運行的位置,而這也是整個項目下來最耗時、最複雜的部分,花了整整 3 個月之久。

程式計數器涉及的功能可就多了。像最基本的就是每個位元組讀完指令後,計數要自動 +1;而 CPU 重啟之後,計數便會清零。而且在不同的條件之下,還要能實現直接跳轉、調用函數、函數返回等功能。

聽著就有夠複雜的了。

奈何,除此之外,還時常伴隨著各種各樣的「玄學問題」。

Up 主就舉了個例子:花了一個多星期才在最深處找到一隻焊反的二極管。

但功夫不負有心人,在經歷 3 個月令人頭禿的時光之後,最複雜的模組還是被他搞定了,上電測試也沒有問題:

然後就是硬碟(ROM)和記憶體(RAM),這是 CPU 外的比較龐大兩個部分,要手做一個不太現實。

因此,Up 主用了比較容易操作的 hm628512 來做 ROM 和 RAM:

左:RAM 和指針;右:ROM

再將 ROM 和 RAM 組裝上去,現在 CPU 的基礎模組已經基本完成了。

接下來就是打造指令譯碼器。

它主要是用於把傳到這裡的 CPU 指令,進行解析運行:

再把做加減乘除的運算器(ALU)加上去:

最後還得再焊一個通用快取上去:

現在,這個全部由三極管、二極管和電阻銲接而成的 CPU 就完成了!

看到這密密麻麻的元件,工程量的浩大就不用多說。

也難怪能讓一眾網友直呼「肝帝」了。

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純手寫最原始程式,讓 CPU 運作

以為純手工銲接就完了?不不不,還有更硬的。

因為這個 CPU 的指令集和架構都是自主研發的,所以沒有適配的程式語言。那怎麼能讓它跑起來呢?

這位 Up 主的對策是:純手寫最原始程式碼——二進位制編程!

這一手露的,直接引發了網友們的第二波高潮:

「手寫指令集,牛皮!這才是真.寫代碼!」

「直接上機械碼,太狠了吧!」

然後……Up 主竟然就開啟了上古寫程式模式——「扣」程式!

面對此情此景,怎麼一句「絶絶子」了得。

一切準備工作就緒。接下來,便是見證奇蹟的時刻。

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但最開始,程式的運行並不是一帆風順。即便大神重啟了幾次,跑馬燈的效果偶爾還是出現問題。

但 bug 很快被找到了:有個地方斷開了。

與此同時,因為還沒有 I/O 接口,所以測試使用的燈是臨時暫存器的燈。而且左移指令和跳轉指令都使用了同一組燈。因此,流水燈的效果就不是非常明顯。

於是,大神重新寫程式,使 CPU 跳轉到 0X0F 處運行。如此一來,在跳轉時燈就是滅的,給左移指令讓出了一條路。

一切修改完畢,重新「扣」程式,啟動!

這一次,就沒有任何的異常了。

神人的起心動念:想了解 CPU 如何執行二進位運算

在看完這波神級操作之後,想必大家都想了解這位大神。量子位(本文作者)幫你實現這個夢想。

大神原名林乃衛,廣西北海人。

做這個項目的靈感,來源於在他寫程式時,分析可執行文件中的二進制。那時候大神便萌生出了一想法:

「CPU 是怎麼執行這一串 0101 的?」

在結合數電課程的知識之後,大神猜測到了大致的原理,於是就想試一試。

最初他想用門級電路來做的,但是感覺難度不是很高,又想把整個過程從零開始理解透。於是,便決定從最基礎的模擬電路開始。而整個過程最難的部分,便是「器件每一級的連接」和「CPU 的運行速度」:

「在此之前沒有看過關於 CPU 原理方面的書籍,是靠自己對門電路的理解而設計的一套電路 ,想設計一套屬於自己的架構。」

從最基礎的三極管開關到門級電路,網上找的電路圖根本沒法用,需要自己設計。雖然設計好後理論通過了,但是門級之間組合成功能級器件就有新的問題,功能級的電路再多幾個,組合起來成為功能模組又會產生新的問題,模組與模組之間連接更會產生新的問題。

這每一級的問題都很有可能要修改基礎電路,然後又會從頭開始產生新的問題。

因為沒有專業的設備去調試,我用的是一盞 LED 和蜂鳴器,想盡辦法也將速度提高到 100 kHz 左右而已,這是十分慢的,過程也十分艱難。

至於器件方面,大神均是從網上購得,然後再將它們一點一點地銲接成為模組。

這個 CPU 大致耗費了 1000 多個三極管、2000 多個二極管,電阻數量也達到了 2000 多,焊點近萬。目前的費用大概花了 1000 多元(人民幣,約新台幣 4,500 元)。

而網友在彈幕中調侃居多的,還有製程方面的問題。

據大神介紹:

「要是非得給它定個工藝製程,那就是 2.54 mm,比先進的 3 奈米大了將近 1 百萬倍。」

最後,Up 主還表示,將在接下來的工作中,持續完善 CPU 的功能,讓它能夠運行更加複雜的程式。

對此,你期待了嗎?

參考資料:Bilibili百度

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(本文經 AI 新媒體量子位 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為〈B站焊武帝爆火出圈:纯手工拼晶体管自制CPU,耗时半年,可跑程序〉。首圖來源:gratuit / Free Images)