太牛了，國(guó)人純手工自制CPU，耗時(shí)半年，用了3000多個(gè)晶體管

金磊 博雯 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

一個(gè)人，到底能肝到什么程度？

最近B站上大火的一個(gè)視頻，或許給了這個(gè)問(wèn)題一個(gè)完美詮釋?zhuān)?/p>

純！手！工！自制CPU！

這位叫做“奶味的”Up主，耗時(shí)整整半年，用他那雙勤勞的雙手，“逐點(diǎn)”焊接，最終打造出了一個(gè)完整CPU！

手工做一個(gè)CPU能用么？

當(dāng)然可以，他還做了一個(gè)demo展示，來(lái)看一下效果吧。

純手工“肝”出一個(gè)CPU，還成功運(yùn)行了流水燈效果，直接引發(fā)了一大波網(wǎng)友們的驚呼：

肝帝！焊武帝！

人長(zhǎng)在肝上了！

（感受下這滿(mǎn)屏的Respect）

接下來(lái)，讓我們一同看下“肝帝”自制CPU的完整過(guò)程。

純手工自制CPU

其實(shí)在發(fā)布這個(gè)視頻之前，Up主便在貼吧中“開(kāi)玩笑”的說(shuō)了句：

CPU太貴了，買(mǎi)了顯卡就買(mǎi)不起CPU，手工捏個(gè)出來(lái)……

萬(wàn)萬(wàn)沒(méi)想到，真的是說(shuō)干就干。

據(jù)這位Up主介紹，他主要采用了3個(gè)原材料：

二極管、三極管和電阻。

通常來(lái)講，CPU的結(jié)構(gòu)可以大致分為運(yùn)算邏輯部件、寄存器部件和控制部件等。

而他最先“下手”的，就是CPU的寄存器部分。

Up主設(shè)計(jì)了一個(gè)6位的移位寄存器：

它的作用不僅能是用來(lái)存儲(chǔ)，還能在時(shí)鐘信號(hào)的控制下，將數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行逐次右移或左移。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就像是一個(gè)交警叔叔，當(dāng)數(shù)據(jù)從一個(gè)方向進(jìn)來(lái)的時(shí)候，這個(gè)移位寄存器可以指揮它什么時(shí)候該往哪里走。

Up主處理的第二個(gè)結(jié)構(gòu)，是程序計(jì)數(shù)器?（PC）。

它作用簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是記錄程序運(yùn)行的位置。

而這也是整個(gè)項(xiàng)目下來(lái)最耗時(shí)、最復(fù)雜的部分，花了整整3個(gè)月之久。

程序計(jì)數(shù)器涉及的功能那可就多了。

像最基本的就是挨個(gè)字節(jié)讀完指令后，計(jì)數(shù)要自動(dòng) 1；而CPU重啟之后，計(jì)數(shù)便會(huì)清零。

而且在不同的條件之下，還要能實(shí)現(xiàn)直接跳轉(zhuǎn)、調(diào)用函數(shù)、函數(shù)返回等功能。

聽(tīng)著就有夠復(fù)雜的了。

奈何，除此之外，還時(shí)常伴隨著各種各樣的“玄學(xué)問(wèn)題”。

Up主就舉了個(gè)例子：

花了一個(gè)多星期才在最深處找到一只焊反的二極管……

但功夫不負(fù)有心人，在經(jīng)歷3個(gè)月令人頭禿的時(shí)光之后，最復(fù)雜的模塊還是被他搞定了。

上電測(cè)試也沒(méi)有問(wèn)題：

然后就是硬盤(pán)（ROM）和內(nèi)存（RAM）。

這是CPU外的比較龐大兩個(gè)部分要手搓一個(gè)不太現(xiàn)實(shí)。

因此，Up主用上了比較容易操作的hm628512來(lái)做ROM和RAM：

△左：RAM和指針 右：ROM

再將ROM和RAM組裝上去，現(xiàn)在CPU的基礎(chǔ)模塊已經(jīng)基本完成了。

接下來(lái)就是打造指令譯碼器。

它主要是用于把傳到這里的CPU指令，進(jìn)行解析運(yùn)行：

再把做加減乘除的運(yùn)算器（ALU）加上去：

最后還得再焊一個(gè)通用緩存上去：

現(xiàn)在，這個(gè)全部由三極管、二極管和電阻焊接而成的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(shuō)。

也難怪能讓一眾網(wǎng)友直呼“肝帝”了。

還有純手寫(xiě)最原始代碼

以為純手工焊接就完了？

不不不，還有更硬核的。

因?yàn)檫@個(gè)CPU的指令集和架構(gòu)都是自主研發(fā)的，所以沒(méi)有適配的編程語(yǔ)言。

那怎么能讓它跑起來(lái)呢？

這位Up主的對(duì)策是：

純手寫(xiě)最原始代碼——二進(jìn)制編程！

噫吁嚱！噫吁嚱！

這一手露的，直接引發(fā)了網(wǎng)友們的第二波高潮：

手寫(xiě)指令集，牛皮！這才是真·寫(xiě)代碼！

直接上機(jī)械碼，太狠了吧！

然后……然后……

Up主竟然就開(kāi)啟了上古編程模式——“扣”程序！

面對(duì)此情此景，怎么一句“絕絕子”了得。

……

一切準(zhǔn)備工作就緒。

接下來(lái)，便是見(jiàn)證奇跡的時(shí)刻。

亮燈，跑起！

但最開(kāi)始，程序的運(yùn)行并不是一帆風(fēng)順。

即便大神重啟了幾次，跑馬燈的效果偶爾還是出現(xiàn)問(wèn)題。

但bug很快被找到了：

有個(gè)地方斷開(kāi)了。

與此同時(shí)，因?yàn)檫€沒(méi)有I/O接口，所以測(cè)試使用的燈是臨時(shí)寄存器的燈。

而且左移指令和跳轉(zhuǎn)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。

于是，大神重新編程，使CPU跳轉(zhuǎn)到0X0F處運(yùn)行。

如此一來(lái)，在跳轉(zhuǎn)時(shí)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”程序，啟動(dòng)！

這一次，就沒(méi)有任何的異常了。

走進(jìn)“肝帝”大神

在看完這波“神級(jí)”操作之后，想必大家都想了解這位大神。

量子位幫你實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想。

大神原名林乃衛(wèi)，廣西北海人。

做這個(gè)項(xiàng)目的靈感，來(lái)源于在他寫(xiě)代碼時(shí)分析可執(zhí)行文件中的二進(jìn)制。

那時(shí)候大神便萌生出了一想法：

CPU是怎么執(zhí)行這一串0101的？

在結(jié)合數(shù)電課程的知識(shí)之后，大神猜測(cè)到了大致的原理，于是就想試一試。

最初他想用門(mén)級(jí)電路來(lái)做的，但是感覺(jué)難度不是很高，又想把整個(gè)過(guò)程從零開(kāi)始理解透。

于是，便決定從最基礎(chǔ)的模擬電路開(kāi)始。

而整個(gè)過(guò)程最難的部分，便是“器件每一級(jí)的連接”和“CPU的運(yùn)行速度”：

在此之前沒(méi)有看過(guò)關(guān)于CPU原理方面的書(shū)籍，是靠自己對(duì)門(mén)電路的理解而設(shè)計(jì)的一套電路 ，想設(shè)計(jì)一套屬于自己的架構(gòu)。

從最基礎(chǔ)的三極管開(kāi)關(guān)到門(mén)級(jí)電路，網(wǎng)上找的電路圖根本沒(méi)法用，需要自己設(shè)計(jì)。雖然設(shè)計(jì)好后理論通過(guò)了，但是門(mén)級(jí)之間組合成功能級(jí)器件就有新的問(wèn)題，功能級(jí)的電路再多個(gè) 組合起來(lái)成為功能模塊又會(huì)產(chǎn)生新的問(wèn)題，模塊與模塊之間連接更會(huì)產(chǎn)生新的問(wèn)題.

這每一級(jí)的問(wèn)題都很有可能要修改基礎(chǔ)電路，然后又會(huì)從頭開(kāi)始產(chǎn)生新的問(wèn)題。

因?yàn)闆](méi)有專(zhuān)業(yè)的設(shè)備去調(diào)試，我用的是一盞LED和蜂鳴器，想盡辦法也將速度提高到100kHz左右 而已,這是十分慢的，過(guò)程也十分艱難。

至于器件方面，大神均是從網(wǎng)上購(gòu)得，然后再將它們一點(diǎn)一點(diǎn)地焊接成為模塊。

這個(gè)CPU大致耗費(fèi)了1000多個(gè)三極管、2000多個(gè)二極管，電阻數(shù)量也達(dá)到了2000多，焊點(diǎn)近萬(wàn)。

目前的費(fèi)用大概花了1000多元。

而網(wǎng)友在彈幕中調(diào)侃居多的，還有制程方面的問(wèn)題。

據(jù)大神介紹：

要是非得給它定個(gè)工藝制程，那就是2.54mm，比先進(jìn)的3納米大了將近1百萬(wàn)倍。

最后，Up主還表示，將在接下來(lái)的工作中，持續(xù)完善CPU的功能，讓它能夠運(yùn)行更加復(fù)雜的程序。

對(duì)此，你期待了嗎？

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