芯片制造工藝真的很難嗎，自制芯片作為一個趨勢存在，廣大的電子愛好者紛紛動手DIY各種芯片。我想，這是一種對芯片的深深的情懷!

Sam Zeloof ：有一顆自造Intel 4004的心

電子愛好者都喜歡DIY，常見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7納米級芯片生產(chǎn)設(shè)施。 但Sam Zeloof 薩姆·澤羅夫沒有被嚇倒。這個17歲的高中生已經(jīng)開始在自己的車庫里制造芯片，盡管技術(shù)已經(jīng)在摩爾定律曲線的后面幾步了。

Zeloof說，他最近一年一直在他家附近弗萊明頓附近的車庫工作。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程。自那之后，Zeloof開始制作計劃，真正實施起來。

Zeloof花費了三個月的時間來復(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)上制造實際的集成電路。”到目前為止，他只用了一些組件來制造簡單的集成電路，但他的目標(biāo)是建立一個烏克蘭微處理器的克隆，他嘗試在車庫里制作出英特爾在 1971 年發(fā)布的著名處理器 Intel 4004(目前還沒有)。

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

為了在他的芯片上設(shè)計電路，Zeloof使用了一種在20世紀(jì)70年代所沒有的技巧：他通過增加一個小型光學(xué)平臺來修改數(shù)字視頻投影機(jī)。然后，他可以創(chuàng)建一個數(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，而無需創(chuàng)建物理掩模的時間和費用(但是，如果沒有潔凈室設(shè)置來防止污染，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年開始撰寫關(guān)于他的項目的博客以來，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希望如果他能夠開發(fā)一個相對簡單的制作4004克隆的過程，它將為他自己設(shè)計的其他芯片打開大門。“如果一切順利的話，也許我可以小批量地為[制造商]社區(qū)的人制造芯片。”

用簡單的74系列芯片自制CPU

這個設(shè)計使用簡單的邏輯元器件——74系列元器件從零開始制作，全程總共用了28塊74系列芯片。

計算機(jī)系統(tǒng)的基本概況：

小名：qCPU(CuteCPU)

CPU：4位

ROM：4KB

RAM：4KB

運行頻率：74芯片極限

IO：2組4位的IO口

4個按鍵

其他外設(shè)就是5個LED發(fā)光二極管，一個蜂鳴器，一個5X7點陣LED，一個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 長跳轉(zhuǎn)

QJMP 立即跳轉(zhuǎn)

不多說了，，，上圖說話吧：

自制強(qiáng)大的套件CPU

非常簡單而強(qiáng)大的電路，連設(shè)計者本人都被這個設(shè)計震驚了...

設(shè)計是按照硬件條件來設(shè)計的, 計劃裝在兩片10CM*10CM的PCB上面,這個規(guī)格的PCB打樣價格低.

跳轉(zhuǎn)指令跳轉(zhuǎn)消耗2個時鐘,不跳轉(zhuǎn)消耗1個時鐘,其他指令1個時鐘.

RAM和ROM地址為24位(地址寄存器24位,程序計數(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.

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

本CPU可以看成由3個部分組成：

1. 運算邏輯.

2. 地址邏輯.

3. 指令譯碼邏輯.

存儲器結(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個時鐘脈沖,不執(zhí)行跳轉(zhuǎn)消耗1個時鐘脈沖,其他指令消耗1個時鐘脈沖.

工作頻率 : 0Hz-?MHz(最高頻率待測試,不同型號門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)過程 : 經(jīng)過龍少本人多年實踐研究和消耗大量腦細(xì)胞而誕生,這是一個精簡化的結(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...來表示，CPU只識別二進(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...來表示，當(dāng)然也是以二進(jìn)制來表示地址.

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。

中間經(jīng)歷了芯片不小心插反，編程器爆炸。裝起來看看.~

目前焊了一半, 眼花, 圖里面的接口插針還沒全部插進(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電路就能組合出一個真正的CPU來。。。實在是太神了。。

全部焊完，改天插IC上去開機(jī)~ 希望不爆炸

這里說下顯示原理:

大概工作原理是, 行同步信號之后顯像管行+1, 這時電子槍開始從左往右掃, 每經(jīng)過一個像素點, 換一次RGB像素數(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, 這時給一個場同步信號, 電子槍會回歸到頂部,不斷重復(fù)這個過程...

行同步來了之后, 電子槍下移一行, 顯示器里面應(yīng)該是有個計數(shù)器,然后計數(shù)器的數(shù)字信號轉(zhuǎn)模擬信號控制電子槍的偏移.

重點來了，敲黑板!!!這位電子大牛今年才23歲!!

DIY大塊頭電腦CPU

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

目前這個DIY電腦CPU只能運行在2mhz左右。

下面讓我們來看看這個用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，總共有2500條之多，還有花了大價錢鍍金的針腳。

上面插滿了芯片，不過這些芯片不是真正意義上的CPU，他們一般是ram芯片，rom芯片，加法運算器芯片之類的芯片。這個綠色的板子宏觀上就是一個DIY電腦CPU，超級大的電腦CPU。

估計機(jī)箱的液晶屏的控制芯片運算速度都比這個巨大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這個電腦的程序是從usb接口加載的。

成功開機(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)然希望有越來越多的玩家加入。所以，廣大熱愛芯片的電子工程師們，你是否已經(jīng)準(zhǔn)備好自制一個屬于自己的芯片呢?