芯片制造工藝真的很難嗎，自制芯片作為一個(gè)趨勢(shì)存在，廣大的電子愛(ài)好者紛紛動(dòng)手DIY各種芯片。我想，這是一種對(duì)芯片的深深的情懷!

Sam Zeloof ：有一顆自造Intel 4004的心

電子愛(ài)好者都喜歡DIY，常見(jiàn)的是制作自己的回流焊爐，導(dǎo)電墨水和合成孔徑雷達(dá)。 但是制作DIY集成電路似乎是不可能的。畢竟，建設(shè)一座現(xiàn)代化晶圓廠(chǎng)的成本是天文數(shù)字昂貴的：例如，在2017年，英特爾宣布投資70億美元完成一個(gè)7納米級(jí)芯片生產(chǎn)設(shè)施。 但Sam Zeloof 薩姆·澤羅夫沒(méi)有被嚇倒。這個(gè)17歲的高中生已經(jīng)開(kāi)始在自己的車(chē)庫(kù)里制造芯片，盡管技術(shù)已經(jīng)在摩爾定律曲線(xiàn)的后面幾步了。

Zeloof說(shuō)，他最近一年一直在他家附近弗萊明頓附近的車(chē)庫(kù)工作。他考慮著如何將芯片制作成能夠了解半導(dǎo)體和晶體管內(nèi)部發(fā)生的事情。

Zeloof無(wú)意中發(fā)現(xiàn)了Jeri Ellsworth的YouTube頻道，在那里她展示了她幾年前如何制造一些自制硅晶體管過(guò)程。自那之后，Zeloof開(kāi)始制作計(jì)劃，真正實(shí)施起來(lái)。

Zeloof花費(fèi)了三個(gè)月的時(shí)間來(lái)復(fù)制Ellsworth的晶體管。他的目標(biāo)是在Jeri Ellsworth自制硅晶體管的基礎(chǔ)上制造實(shí)際的集成電路。”到目前為止，他只用了一些組件來(lái)制造簡(jiǎn)單的集成電路，但他的目標(biāo)是建立一個(gè)烏克蘭微處理器的克隆，他嘗試在車(chē)庫(kù)里制作出英特爾在 1971 年發(fā)布的著名處理器 Intel 4004(目前還沒(méi)有)。

利用從 eBay 等網(wǎng)上商店購(gòu)買(mǎi)到的二手設(shè)備和原材料，他的設(shè)備包括一臺(tái)高溫爐，一個(gè)由多余部件構(gòu)成的真空室和一臺(tái)掃描電子顯微鏡。

為了在他的芯片上設(shè)計(jì)電路，Zeloof使用了一種在20世紀(jì)70年代所沒(méi)有的技巧：他通過(guò)增加一個(gè)小型光學(xué)平臺(tái)來(lái)修改數(shù)字視頻投影機(jī)。然后，他可以創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字圖像的掩模，并將其投影到晶圓上，以曝光光刻膠。利用他目前的設(shè)置，Zeloof可以創(chuàng)建分辨率約為1μm的摻雜特征，而無(wú)需創(chuàng)建物理掩模的時(shí)間和費(fèi)用(但是，如果沒(méi)有潔凈室設(shè)置來(lái)防止污染，他認(rèn)為10μm是獲得合理的限制工作裝置產(chǎn)量)。

自從他在2017年開(kāi)始撰寫(xiě)關(guān)于他的項(xiàng)目的博客以來(lái)，Zeloof得到了很多積極的反饋，其中包括一些記得1970年代早期使用的這種流程的資深工程師的有用提示。 Zeloof希望如果他能夠開(kāi)發(fā)一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的制作4004克隆的過(guò)程，它將為他自己設(shè)計(jì)的其他芯片打開(kāi)大門(mén)。“如果一切順利的話(huà)，也許我可以小批量地為[制造商]社區(qū)的人制造芯片。”

用簡(jiǎn)單的74系列芯片自制CPU

這個(gè)設(shè)計(jì)使用簡(jiǎn)單的邏輯元器件——74系列元器件從零開(kāi)始制作，全程總共用了28塊74系列芯片。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概況：

小名：qCPU(CuteCPU)

CPU：4位

ROM：4KB

RAM：4KB

運(yùn)行頻率：74芯片極限

IO：2組4位的IO口

4個(gè)按鍵

其他外設(shè)就是5個(gè)LED發(fā)光二極管，一個(gè)蜂鳴器，一個(gè)5X7點(diǎn)陣LED，一個(gè)LCD1602液晶。

目前的指令如下：

ADD 加法

RM 讀取內(nèi)存

ADDC 帶進(jìn)位加法

WM 寫(xiě)內(nèi)存

SUB 減法

OUT IO輸出

< 小于比較

= 等于比較

GOTO 小跳轉(zhuǎn)

QCLR 清空

QMOV 賦值

QADD 加法

QSUB 減法

QGOTO 長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)

QJMP 立即跳轉(zhuǎn)

不多說(shuō)了，，，上圖說(shuō)話(huà)吧：

自制強(qiáng)大的套件CPU

非常簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的電路，連設(shè)計(jì)者本人都被這個(gè)設(shè)計(jì)震驚了...

設(shè)計(jì)是按照硬件條件來(lái)設(shè)計(jì)的, 計(jì)劃裝在兩片10CM*10CM的PCB上面,這個(gè)規(guī)格的PCB打樣價(jià)格低.

跳轉(zhuǎn)指令跳轉(zhuǎn)消耗2個(gè)時(shí)鐘,不跳轉(zhuǎn)消耗1個(gè)時(shí)鐘,其他指令1個(gè)時(shí)鐘.

RAM和ROM地址為24位(地址寄存器24位,程序計(jì)數(shù)器24位),最大可以尋址16MB的RAM和16M的ROM.

IO方式為內(nèi)存映射IO.

保守估計(jì)用同樣型號(hào)的IC性能大概比小UU強(qiáng)大約2倍,條件是頻率要運(yùn)行在10MHZ左右(性能相當(dāng)于小UU運(yùn)行在27MHZ的2倍), 其實(shí)性能要看每秒加法減法多少次。

本CPU可以看成由3個(gè)部分組成：

1. 運(yùn)算邏輯.

2. 地址邏輯.

3. 指令譯碼邏輯.

存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) : 哈佛結(jié)構(gòu).

指令周期 : 跳轉(zhuǎn)指令執(zhí)行跳轉(zhuǎn)消耗2個(gè)時(shí)鐘脈沖,不執(zhí)行跳轉(zhuǎn)消耗1個(gè)時(shí)鐘脈沖,其他指令消耗1個(gè)時(shí)鐘脈沖.

工作頻率 : 0Hz-?MHz(最高頻率待測(cè)試,不同型號(hào)門(mén)電路工作頻率不一樣).

支持內(nèi)存容量 : RAM和ROM的地址都為24位分別可以裝配最大16M內(nèi)存.

電路出現(xiàn)過(guò)程 : 經(jīng)過(guò)龍少本人多年實(shí)踐研究和消耗大量腦細(xì)胞而誕生,這是一個(gè)精簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu).

電路工作原理:

我們都知道CPU的作用就是執(zhí)行指令, 指令代碼是用0、1、2、3、4、5、6...來(lái)表示，CPU只識(shí)別二進(jìn)制的0、1、2、3、4、5、6...， 也就是1、10、11、100、101、110...

ROM和RAM內(nèi)存單元的地址也是0、1、2、3、4、5、6...來(lái)表示，當(dāng)然也是以二進(jìn)制來(lái)表示地址.

準(zhǔn)備出套件：完整機(jī)的PCB數(shù)量有14片(層)左右, 10CM*10CM的，一片成本5塊錢(qián)。

中間經(jīng)歷了芯片不小心插反，編程器爆炸。裝起來(lái)看看.~

目前焊了一半, 眼花, 圖里面的接口插針還沒(méi)全部插進(jìn)去(擺拍).

是不是很酷!!!這套U真的太神了，看這些基本的邏輯門(mén)電路就能組合出一個(gè)真正的CPU來(lái)。。。實(shí)在是太神了。。

全部焊完，改天插IC上去開(kāi)機(jī)~ 希望不爆炸

這里說(shuō)下顯示原理:

大概工作原理是, 行同步信號(hào)之后顯像管行+1, 這時(shí)電子槍開(kāi)始從左往右掃, 每經(jīng)過(guò)一個(gè)像素點(diǎn), 換一次RGB像素?cái)?shù)據(jù), 每掃完一行, 送一次行同步,直到屏幕上的所有行都掃描完, 這時(shí)給一個(gè)場(chǎng)同步信號(hào), 電子槍會(huì)回歸到頂部,不斷重復(fù)這個(gè)過(guò)程...

行同步來(lái)了之后, 電子槍下移一行, 顯示器里面應(yīng)該是有個(gè)計(jì)數(shù)器,然后計(jì)數(shù)器的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)模擬信號(hào)控制電子槍的偏移.

重點(diǎn)來(lái)了，敲黑板!!!這位電子大牛今年才23歲!!

DIY大塊頭電腦CPU

這個(gè)設(shè)計(jì)的技術(shù)牛人是一個(gè)游戲開(kāi)發(fā)者，他從2007年就開(kāi)始了這個(gè)計(jì)劃并命名為BMOW-1號(hào)，他的DIY電腦CPU面積約有450平方厘米，是個(gè)極其復(fù)雜的大塊頭：基礎(chǔ)是一塊Augat繞線(xiàn)板，在此之上已經(jīng)預(yù)先裝好了1250個(gè)針腳，需要手工給它們鍍金，然后連接2500條線(xiàn)，有些地方甚至要堆疊十層。

目前這個(gè)DIY電腦CPU只能運(yùn)行在2mhz左右。

下面讓我們來(lái)看看這個(gè)用DIY電腦CPU組裝的電腦是什么樣子的。

首先映入眼簾的是DIY CPU上密密麻麻的飛線(xiàn)，總共有2500條之多，還有花了大價(jià)錢(qián)鍍金的針腳。

上面插滿(mǎn)了芯片，不過(guò)這些芯片不是真正意義上的CPU，他們一般是ram芯片，rom芯片，加法運(yùn)算器芯片之類(lèi)的芯片。這個(gè)綠色的板子宏觀上就是一個(gè)DIY電腦CPU，超級(jí)大的電腦CPU。

估計(jì)機(jī)箱的液晶屏的控制芯片運(yùn)算速度都比這個(gè)巨大DIY電腦CP快。

有vga接口，ps/2接口，甚至是usb接口，上圖液晶屏上顯示usb bootloader這個(gè)電腦的程序是從usb接口加載的。

成功開(kāi)機(jī)，顯示了一些字符。

還能玩吃豆人游戲。

小結(jié)：

由于人工智能的爆發(fā)，芯片行業(yè)當(dāng)然希望有越來(lái)越多的玩家加入。所以，廣大熱愛(ài)芯片的電子工程師們，你是否已經(jīng)準(zhǔn)備好自制一個(gè)屬于自己的芯片呢?