【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：
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？
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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）
