Người đam mê xây dựng một CPU đầy đủ chức năng từ các chip bộ nhớ cũ

Nhìn sơ qua, đống dây nhợ, linh kiện và mạch hàn thủ công này có vẻ như một tác phẩm điêu khắc cyberpunk, nhưng thực chất là một dự án vô cùng tuyệt vời. Một người đam mê đã xây dựng toàn bộ bộ xử lý—không phải bảng phát triển hay vi điều khiển, mà là một CPU hoàn chỉnh, có khả năng thực thi lệnh và truy cập bộ nhớ, chỉ sử dụng các chip nhớ và linh kiện logic cũ từ thời 8-bit.

Dự án EPROMINT không nhằm thay thế CPU hiện đại mà là một dự án DIY thú vị. Người sáng tạo, Majsterkowanie i nie tylko (MINT), đã dành ba tháng thiết kế, lập trình và ghi chép mọi chi tiết của kiến trúc bộ xử lý. Ý tưởng này bắt nguồn từ một thí nghiệm đơn giản sử dụng chip nhớ cũ EPROM, vốn được cấu hình để điều khiển các hệ thống nhỏ như dimmer PWM hoặc màn hình hiển thị tin nhắn.

Sự đơn giản của cấu trúc đó đã thắp lên một ngọn lửa. Nếu bộ nhớ có thể được sử dụng để mô phỏng logic cơ bản, thì có thể những thành phần của một bộ vi xử lý hoàn chỉnh không còn xa vời. Người đam mê này đã bắt đầu tìm hiểu sâu vào các sơ đồ, tái tạo cấu trúc của các CPU cổ điển từ thời 8-bit, đặc biệt là Z80, đã góp phần khởi đầu cuộc cách mạng máy tính cá nhân.

Kết quả là một máy móc có thể không đẹp mắt hoặc bóng bẩy, nhưng hoạt động theo các tập lệnh thực, thực thi mã lắp ráp của riêng nó và phản ứng với các ngắt phần cứng giống như một bộ xử lý thương mại. Đừng bỏ lỡ: Bộ máy tính Prime Day 5000 này phù hợp với Jensen Huang — mua nhiều thì tiết kiệm nhiều hơn. Chúng tôi đã xây dựng một bộ máy tính Prime Day dưới 800 USD mà không cần dùng đến GPU 8GB. Core Ultra 7 265K CPU có giá thấp kỷ lục 259 USD với hai trò chơi miễn phí, đạt 97% hiệu suất chơi game của Core Ultra 9 285K nhưng tiết kiệm được 260 USD. Dự án bắt đầu từ thành phần cơ bản nhất của bất kỳ bộ xử lý nào: Đơn vị Logic số học (ALU).

Nguyên mẫu đầu tiên, được thiết kế để thực hiện phép cộng đơn giản, không đáng tin cậy và đã bị loại bỏ. Thay thế nó là một phiên bản được lắp ghép hoàn toàn để dễ dàng gỡ lỗi. Từ đó, hệ thống mở rộng bao gồm giao diện bộ nhớ, bộ điều khiển bus địa chỉ—được điều khiển bởi một ALU phụ—và cuối cùng là logic điều khiển, chịu trách nhiệm giải mã mã lệnh và phối hợp toàn bộ luồng dữ liệu. Phần mềm cũng được viết hoàn toàn từ đầu.

Gần 2.000 dòng mã đã được phát triển để xác định cách bộ xử lý xử lý lệnh, tối ưu hóa cách dữ liệu di chuyển trong hệ thống và tạo quy trình kiểm tra, tất cả đều được xây dựng bằng bộ công cụ phát triển tùy chỉnh cho các bảng mạch trước đó. Tập lệnh vượt xa khả năng của các CPU cũ, bao gồm các phép toán như nhân, chia, tính toán lượng giác, và xử lý chuỗi bit.

Như người sáng tạo mô tả, bộ vi xử lý đã được "tiêm steroid." Với tất cả các mô-đun được kết nối, CPU đã được bật lần đầu tiên, tiêu thụ 250mA dòng điện. Hệ thống phát triển trước đó được sử dụng cho các thí nghiệm chip bộ nhớ đã được điều chỉnh để tạo ra một bộ hướng dẫn hoàn chỉnh cho bộ vi xử lý mới. Như bạn thấy, một đèn LED nhấp nháy đã được sử dụng làm chương trình thử nghiệm đầu tiên, trong khi đèn LED thứ hai được kết nối để sáng lên khi phát hiện ngắt, chứng tỏ CPU có thể xử lý các sự kiện bên ngoài ngay cả khi đang thực hiện các lệnh.

CPU mới sẽ tạm dừng hoạt động hiện tại, xử lý ngắt và sau đó tiếp tục từ chỗ đã dừng, giống như một bộ vi xử lý thực. Cuối cùng, CPU này có kích thước bằng bốn bảng mạch lớn, nặng hơn 500g và chứa hơn một km dây nếu trải ra. Mọi phép logic được thực hiện bằng cách sử dụng bộ nhớ đã lập trình sẵn. Thay vì sử dụng cổng NAND vật lý bằng silicon, hệ thống gửi đầu vào 8-bit đến EPROM, và nhận kết quả từ bảng tra cứu đã lưu.

Các chức năng như định tuyến dữ liệu và giải mã lệnh đều phụ thuộc vào phương pháp này. Để chứng minh hệ thống hoạt động, anh đã kết nối nó với màn hình VFD và viết mã để trình chiếu The Matrix... hoặc ít nhất là những đoạn hình ảnh chất lượng thấp của nó. Khác với silicon trong các SoC hiện đại, đường thực thi của bộ xử lý này hoàn toàn được lộ ra.

Mỗi chu kỳ đồng hồ, mỗi mã lệnh và mọi thay đổi của thanh ghi đều có thể quan sát và truy vết. Đó là vẻ đẹp của nó. Đây thực sự là DIY theo nghĩa punk-rock nhất. Xem video này giúp bạn nhận ra rằng các CPU trong máy tính của chúng ta giống như phép thuật—hàng tỷ transistor hoạt động trên những hạt cát nhỏ nhất, được điều khiển bởi kính và ý chí con người. Nếu việc xây dựng một bộ xử lý cơ bản đã khó như vậy, hãy tưởng tượng quy mô tham vọng sản xuất mà các công ty như TSMC đã đạt được.

Nếu bạn muốn xem những thành tựu DIY tương tự, hãy xem tay cầm Steam Controller 2 không chính thức được tạo ra từ Steam Deck, hoặc RTX 5090 được phục hồi. Theo dõi Toms Hardware trên Google News để nhận tin tức, phân tích và đánh giá mới nhất. Nhớ nhấn nút Theo dõi.

Nguồn: www.tomshardware.com/pc-components/cpus/passionate-enthusiast-builds-a-fully-functional-processor-out-of-old-memory-chips-hand-solders-every-wire-writes-1800-lines-of-assembler-code-and-makes-it-play-the-matrix-on-a-vfd-display