Как создать процессор

Как создать микропроцессор в домашних условиях. Энтузиаст создал интегральную схему с 1200 транзисторами у себя в гараже

Современные процессоры опираются на сверхтонкие техпроцессы и включают миллиарды транзисторов, упакованных в крошечных чипах. Можно ли создать подобный CPU дома? Конечно, нет, но всё же создать в домашних условиях примитивный процессор вполне возможно.

Несколько лет назад известный в определённых кругах энтузиаст-самоучка Сэм Зелуф (Sam Zaloof) создал первый в своём роде чип Z1 в домашних условиях. Он состоял всего из 6 транзисторов. Теперь Зелуф решил повторить эксперимент, создав нечто существенно более сложное. И у него получилась интегральная схема Z2 с 1200 транзисторами, выполненными по техпроцессу 10 мкм. Для сравнения, Intel 4004 — первый в мире коммерчески доступный однокристальный микропроцессор — производился по тому же техпроцессу и содержал 2300 транзисторов.

Процесс изготовления достаточно подробно описывается как на сайте Зелуфа, так и в видео. Основное — не было никаких чистых помещений и чистых химикатов.

Для изготовления ИС энтузиасту понадобилась вода, алкоголь, ацетон, фосфорная кислота, фоторезист, 2-процентный раствор гидроксида калия, SOG-плёнка Filmtronics P509, 1-процентная плавиковая кислота и азотная кислота. Последние два вещества можно заменить. Что касается оборудования, нужно иметь электроплиту, трубчатую печь, специальный аппарат для литографии, микроскоп и вакуумную камеру для плавки металла.

15 августа 2021 в 12:36

Центральный процессор – дома с нуля

Если в последние лет 40 для выполнения задачи нужен микропроцессор – единственный рассматриваемый вариант это купить готовый. Ну или в крайне редких случаях «накатить» стандартное конфигурируемое FPGA ядро (например Nios II) с парой дополнительных инструкций. Многие сейчас даже не могут представить, что процессоры могут получаться каким-то другим путем 🙂 Это всё равно что считать что продукты беруться в магазине, а вырастить их самому – абсолютно невозможно.

С одной стороны, зачем помнить основы технологии если все производится промышленно? На мой взгляд – чтобы быть уверенным, что технология не будет утеряна, что даже если случиться ядерная война компьютеры можно будет собирать из подручных материалов (так же как и с продуктами в начале 90 — многим пришлось возвращаться к технологии 100-летней давности из-за краха инфраструктуры производства и доставки).

Оказывается есть такие люди, которые до сих пор в качестве хобби делают центральные процессоры из дискретных компонент(транзисторов, реле) и микросхем низкой степени интеграции (счетчики, регистры). Единственные применяемые микросхемы – память (оперативная и перепрограммируемая).

В этой статье я хочу рассказать кратко об архитектуре и о нескольких реально работающих процессорах, сделаных в домашних условиях.

Общие архитектурные заметки:

Большинство самодельных процессоров работают (почти как и большинство современных процессоров )– на микрокоде, считываемого из flash/SRAM-памяти – тут обычно и находится самое медленное место: за последние лет 20 прогресс в латентности работы flash памяти остался почти на месте, и для широко доступных микросхем составляет 70нс, следовательно быстрее 14 МГц на процессоре на микрокоде во флеше не разогнаться. Процессоры обычно имеют шину данных 8 или 16 бит, адресную шину 16-20-24 бита (ограничивать себя 65Кб никому не хочется, особенно с нынешними ценами на память). ALU(вычислительное ядро) делается либо однобитным (т.е. для 16-и битной операции надо 16 тактов), либо используется готовое ALU на 2-4 бита (из которых собирается 8-16-и битное ALU). Процессоры на микрокоде обычно и код и данные хранят в одной и той же памяти (архитектура Фон-Неймана). RISC-подобные процессоры без микрокода обычно работают по Гарвардской архитектуре (данные и код отдельно, зачастую программа не может ничего писать в память кода). В абсолютно всех самодельных процессорах длина всех инструкций одинакова – переменная длина инструкций создает трудности даже при разработке «промышленных» процессоров. В качестве памяти используют обычно SRAM – раньше её использовали только для кэша из-за большой цены. От обычной SDR/DDR памяти отличается крайней простотой и неприхотливостью интерфейса, не нужно следить за «обновлением» памяти (в обычной SDR/DDR памяти данные выживают всего 32-64 миллисекунды).

Маленькие хитрости

Несмотря на то, что обычно используются простые микросхемы, есть некоторые хитрости, которые раньше(30 лет назад) были не доступны: готовые ALU (не совсем простая микросхема), SRAM память(например 1Мб SRAM памяти — это около 48млн транзисторов) и использование EEPROM-памяти как ALU (например, на микросхеме памяти 65кб 8бит можно сделать сумматор или мультипликатор, а на 1Мб микросхеме можно «проводить» 16 разных 8-битных операций — FPGA использует тот же принцип для построения произвольных логических схем). Также, сейчас можно использовать намного больше памяти для хранения микрокода и самого программного кода в памяти.

А теперь несколько самых выдающихся реализаций:

BMOW – Big Mess of Wires

http://www.stevechamberlin.com/cpu/bmow1
Собран из простых микросхем. Тактовая частота – 2 МГц.

MyCPU

http://www.mycpu.eu/
Собран из простых микросхем. Тактовая частота – 8 МГц. Развитая переферия – вплоть до доступа к сети. Кстати, сам Web-сайт http://www.mycpu.eu/ обслуживается именно этим самодельным сервером. Конструкция посторяемая, собрано много экземпляров.

Harry Porter’s Relay Computer

http://web.cecs.pdx.edu/~harry/Relay/index.html
Собран на 415 реле, на взгляд около 7Гц 🙂

Magic-1

http://www.homebrewcpu.com/
Собран на ~200 простых микросхемах, рабочая частота до 4МГц. Порт Minux, сам сайт работает на этом самодельном сервере.

Mark-1 Forth computer

http://www.holmea.demon.co.uk/Mk1/Architecture.htm
Собран на простых микросхемах, рабочая частота 1МГц. Как нетрудно понять из названия, оптимизирован для программ на языке Форт. Микрокод хранится в диодной матрице, вместо «неспортивных» микросхем флеш-памяти.

MT15

http://www.6502.org/users/dieter/
Самое вкусное на последок: 16-и битный процессор, собранный на самых простых низкочастотных биполярных транзисторах (около 3000 штук). Тактовая частота – 500КГц, из микросхем только память и генерация синхросигнала. Производство таких транзисторов на кухне вполне реально наладить уже через год после ядерной войны

Заключение

Надеюсь эта статья подтолкнет кого-то к более глубокому изучению внутренней архитектуры процессоров. Лично я в процессе изучения многочисленных архитектур поменял своё мнение о x86 – раньше мне она казалась громоздкой и страшно неэффективной (ну и конечно «инженеры – идиоты, я один в белом»), сейчас же практически все решения принятые инжеренарми Intel кажуться вполне логичными, если учитывать ограниченность количества транзисторов в начале 80-х (даже 6000 транзисторов i8080-го процессора обходились покупателям в 360-180$).

Как создать процессор

Сегодня на рынке высокопроизводительных процессоров тесно. Если отбросить в сторону мобильные архитектуры, где существует целый ряд перспективных наработок, то только две компании всё ещё способны выпускать настольные и серверные Х86 процессоры. Вообще, в последнее время настольный сегмент атакует Apple. Инженеры яблочной компании создали настоящего монстра, который способен тягаться с самыми быстрыми процессорами конкурентов. Мало того, он выполнен на архитектуре ARM и обладает отличной энергоэффективностью. Возможно, в будущем примеру Apple последуют и другие, но пока компании довольствуются смартфонами и планшетами, предпочитая не выходить из мобильного сектора.

реклама

Всё это говорит о чрезвычайно высокой сложности разработки, предполагающей огромные вложения. Как оказалось, при должном усердии и знании предмета можно даже в домашних условиях создать процессор. На самом деле созданный студентом по имени Сэм Зелооф чип правильнее относить к интегральной схеме, но сам он гордо величает его процессором. Поэтому не будем спорить с автором 10-микронного камня. Весь процесс доступен на видео ниже, не ждите длительных описаний, Сэм не очень разговорчив, предпочитая останавливаться на основных моментах. Это значит, что вы вряд ли сможете повторить успех парня в домашних условиях.

В качестве источника для создания чипа он использовал 12 микросхем Z2, каждая из которых включала 100 транзисторов, произведённых по нормам 10 микрометров (не путать с нанометрами). Это значит, что внутри расположилось 1200 транзисторов. Сэм отмечает, что первый процессор Intel 4004 был построен по аналогичному техпроцессу на 10 микрометров и включал 2000 транзисторов. На видео можно заметить, что энтузиаст использует пусть и устаревшее, но весьма дорогостоящее оборудование, которое точно не встретишь в доме каждого человека.

Во время создания процессора использовались так называемые грязные химикаты, что позволило обойтись без доступа к сверхчистому помещению. Сам разработчик отмечает, что каждый следующий чип будет отличаться от предыдущего, поэтому наладить производство идентичных интегральных схем в домашних условиях нереально. К сожалению, Сэм Зелооф не рассказал о производительности доморощенного процессора. Поэтому мы можем только догадываться на что способно такое чудо инженерной мысли.

От песка до процессора: как производятся чипы

Процессоры окружают нас повсюду. Они есть в каждом электронном девайсе и отвечают за его работу. На их характеристики мы обращаем внимание при покупке компьютеров и сотовых телефонов. Однако мало кому известно, как и из чего делают эти сложнейшие миниатюрные устройства.

В техническом плане современный процессор представляет собой большую микросхему, состоящую из миллиардов элементов — транзисторов, они же дискретные переключатели. Транзисторы отвечают за включение и выключение, то есть пропуск и блокировку электрического тока.

Дискретные переключатели позволяют логическим схемам компьютера функционировать в двоичной системе. Проход электротока — это единица, а отключение — ноль. Различная последовательность этих цифр и образует информацию: программы, текст, видео, картинки или музыку.

Размеры транзисторов измеряют в нанометрах, это миллиардная часть метра. Давайте посмотрим, как удается производить такие микроскопические элементы.

Экскурсия на производство

Для начала представим, что вы попали на завод по производству чипов. Первое, что попросят сделать — тщательно умыться и вымыть руки. Косметика и парфюм строго запрещены. После гигиенических процедур нужно надеть специальный костюм: комбинезон, ботинки и сетку для волос. Перед помещением, где непосредственно изготавливают чипы, выполняют обдув сильным потоком, чтобы обеспечить максимальную стерильность.

Попадание на рабочую заготовку мельчайшей частицы пыли чревато браком — отсюда и беспрецедентные меры по защите. Воздух в цехах чище, чем в операционных — класс чистоты 10. Это значит, что в каждом кубическом метре содержится не больше десяти частиц толщиной в полмикрона (размером с небольшую бактерию).

В почти стерильных помещениях очень тихо. Вибрация практически отсутствует, раздается лишь небольшой гул от работающего оборудования. В таких условиях и проходят основные этапы производственного процесса, но что происходит до этого?

Сначала был кремний

Точнее, диоксид кремния, который в больших количествах содержится в обычном песке. Атомная структура SiO₂ дает возможность изготавливать микросхемы любой конфигурации. Из рыхлой горной породы получают технический, а затем электронный кремний с чистотой 99,9999999%.

На следующем этапе электронный кремний расплавляют, помещают в него затравочный кристалл в форме карандаша, вокруг которого вырастет кристаллическое твердое тело — буля. Диаметр такого слитка составляет 300 мм, высота — около 2 м, а вес — до 100 кг.

В процессе роста затравочный кристалл вращается и медленно поднимается, увлекая за собой монокристалл. После достижения нужных размеров булю тестируют на соответствие параметрам чистоты, далее устанавливают на алмазную резку. Ее разрезают на тончайшие пластины толщиной 1 мм. Поверхность каждой пластины полируют до зеркального блеска. Теперь кремниевая заготовка готова для отправки на завод по изготовлению чипов.

Основные этапы производства процессоров

Производственный процесс включает более двух тысяч операций. Выделим из них три основных этапа.

1. Печать транзисторов — микросхемы печатают посредством фотолитографии на специальных машинах. Цель технологии — сформировать на кремниевой подложке изображение, чтобы получить заданную топологию микросхемы. На пластину наносят тончайший слой светочувствительного полимера — фоторезиста. Далее осуществляют облучение через оптическую систему, проявление и обработку поверхности. Процесс напоминает печать черно-белых фотографий, когда на пленку светят лампой, подложив снизу фотобумагу. Машина повторяет операцию несколько десятков раз. Между слоями находится диэлектрик, выполняющий роль изолятора. В результате образуются миллиарды транзисторов, которые пока еще не соединены между собой.
2. Соединение дискретных переключателей выполняют в определенном порядке, который зависит от архитектуры процессора. Производители держат ее в секрете. На данном этапе наносят токопроводящий слой, ставят фильтр и закрепляют транзисторы.
3. Тестирование и нарезка пластины. Каждую микросхему проверяют на брак, затраты электроэнергии и нагревание. После этого пластины разрезают на 100–150 отдельных чипов, которые оснащают крышкой для защиты кристалла от механических повреждений и отвода тепла. Самые удачные микропроцессоры устанавливают в дорогие серверные продукты. Если ЦП имеет небольшие недочеты, его не бракуют, а отдают в массовую продажу.

На протяжении всего процесса производства кремниевые пластины находятся в фупах — герметичных контейнерах с классом чистоты 1 (кубический метр воздуха содержит не более одной частицы размером в полмикрона). По производственной линии фупы передвигают сотни роботов. Они бегают по рельсовым дорожкам, доставляя кремниевые заготовки к различным инструментам.

Сроки производства

Сколько времени уходит на создание чипов? Производители микропроцессоров уверяют, что это не забег на короткую дистанцию.

На выращивание були необходимо два месяца. После этого заготовки отправляют на завод чипмейкера. Выполнение основных этапов может занимать три месяца. На изготовление тестовой партии производитель тратит больше полугода, если считать время со всеми необходимыми тестами. Любой сбой на производственной линии вызывает простои. Возобновляют работу только после исправления выявленных недочетов.

Если начинать бизнес с нуля, потребуется не меньше пяти лет и огромные финансовые затраты. По самым скромным подсчетам строительство фабрики для производства микросхем обойдется в 8,5 миллиарда долларов, а в исследования и разработки придется вложить минимум 2 миллиарда.

Проблемы будущего

Первый коммерческий чип на кремниевой подложке создала компания Intel. Она показала свое революционное изобретение в 1971 году. Intel 4004 содержал 2250 дискретных переключателей. К 1978 году число транзисторов увеличилось в десятки тысяч раз. В Intel 8086 оно составило уже 29 000. В современных ЦП это количество достигает нескольких миллиардов.

Один из основателей Intel Гордон Мур в 1965 году выявил важную закономерность. Число переключателей каждые два года увеличивалось вдвое. Уменьшение геометрических размеров транзистора — единственный способ удваивать их количество, в результате повышая производительность процессора.

Сделать это без изменения техпроцесса невозможно. Техпроцессом чипа называют длину затвора, который решает — тока нет (0) или же ток есть (1). В какой-то момент технология производства достигла того, что параметры затвора больше нельзя было уменьшать. Тогда на помощь пришло еще одно открытие — новая структура FinFET. Затвор оказался приподнят над кремниевой подложкой, что дало возможность продолжать менять размеры дискретных переключателей в меньшую сторону.

После того как технология достигла 32 нм, понятие техпроцесса больше стало напоминать маркетинговую уловку производителей, чем действительные характеристики. Для потребителя выполнение закона Мура означает, что каждый новый процессор лучше предыдущего. Однако до сих пор не существует единого метода подсчета. На деле получается, что под техпроцессом, например, 10 нм каждый чипмейкер подразумевает что-то свое. В итоге количество и плотность транзисторов — приблизительные метрики.

Весной 2022 года компания AMD представила первую серию потребительских процессоров на техпроцессе 5 нм под названием Ryzen 7000. Samsung Electronics летом этого года анонсировала запуск производства микросхем с техпроцессом 3 нм. TSMC тоже планирует наладить выпуск продукции с аналогичными характеристиками. Intel не спешит догонять и перегонять конкурентов, остановившись на техпроцессе 10 нм. Ее микропроцессоры уступают в нанометрах, зато превосходят в производительности за счет более высокой плотности транзисторов.

15 лет назад Мур заявил, что выведенный им принцип больше не действует. Он обосновал это тем, что по естественным законам природы процессоры не могут функционировать еще быстрее. По прогнозам, эмпирическое наблюдение об удвоении числа транзисторов формально будет считаться рабочим до конца 2025 года. Как пойдет развитие чипов дальше, пока неясно.