手工焊接，二進制寫碼，B站Up主手搓CPU爆火出圈
在 B 站當 UP 主，門檻是出了名的高。
有人會用 AI 還原朱元璋，有人能造自動駕駛自行車，還有人會手搓 CPU……
從外形來看，這個 CPU 采用了先進的「3D 堆疊」技術（手動狗頭），全部由三極管、二極管和電阻焊接而成。
具體來說，UP 主林乃衛大約用了 1000 多個三極管、2000 多個二極管和 2000 多個電阻，焊點達到上萬個，網購材料大約花了 1000 多塊錢。
為了打造這款 CPU，UP 主花了大半年的時間逐點焊接，人送外號「焊武帝」。
由于其體型巨大，網友開玩笑說，「這是當年的巨型計算機啊。」連作者本人也調侃說，它的制程是 2.54mm，「比先進的 3 納米大了將近 1 百萬倍。」
不過，比外形更古樸的是 UP 主的編程方式：由于指令集和架構都是自主開發的，還沒有適配任何編程語言，因此他選擇采用二進制編程，也就是原始的機器語言——0 和 1。
這個「龐然大物」運行起來的效果也很炫酷：
UP 主用自制 CPU 運行流水燈效果，即讓小燈挨個亮起來。
有人說，「我看不懂也沒怎么震撼，但這就是我小時候想象中的『科學家』，稀奇古怪的儀器和五顏六色的燈泡，拿各種五顏六色的液體互相勾兌，然后產生各類超強的氧化反應。」
我們知道，要自制這么一個 CPU，除了熟練掌握數電、模電、匯編等基礎知識，還要具備超強的動手能力和毅力。其過程之艱辛普通人可能難以體會。那么，林同學為什么要費這么大工夫去做呢？
「在寫代碼時要分析可執行文件中的二進制，那時候在想，CPU 是怎么執行這一串 0101 的呢？結合數電課程，猜測大概是那么回事，就想試一試。當初想用門級電路來做的，但是感覺難度不是很高，想整個從零開始理解透，就從最基礎的模擬電路開始搭建了。」林同學告訴機器之心。
當然，當 UP 主只是林同學的愛好之一，他的本職工作是 php/.net / 安卓 APP 程序員。他表示自己喜歡學習各種新科技，對高難度的技術有較強的動力去學習，有許多新奇的創意，卻沒資金去實現。在這次 B 站大火之后，希望林同學能有更多的資金去實現自己的創意。
一位 B 站 UP 主的手搓 CPU 之路
雖然打造這款 CPU 只用了半年，但林同學透露，它的原理圖幾年前就畫好了，大概是這樣：
圖源：https://tieba.baidu.com/p/7432882849?see_lz=1
畫完圖，Up 主首先驗證了門電路。這一步屬于理論驗證，是必要的步驟。
圖源：https://tieba.baidu.com/p/7432882849?see_lz=1#140122397516l
做好驗證之后，手搓的部分就正式開始了。CPU 通常由通用寄存器組、運算器、控制器和數據通路等部件組成。Up 主首先就從寄存器做起。
他先造了一個移位寄存器——一種在若干相同時間脈沖下工作的以觸發器級聯為基礎的器件，用 Up 主的話說就是數據從一個方向進，一個時鐘周期移動一個位置，最后從另一個方向出。最終 Up 主的成品是 6 位的移位寄存器：
有網友提問：「為什么移位寄存器不用現成的芯片？」Up 主表示「為了樂趣」。
圖源：https://tieba.baidu.com/p/7432882849?see_lz=1#140122397516l
接著，Up 主手搓的第二個 CPU 部件是程序計數器（PC）。PC 是控制器的一部分，涉及的功能較多，也是手搓階段最復雜的一個模塊。CPU 重啟時要將它的計數清零，工作狀態下要借助 PC 實現挨個字節讀取指令和數據，每操作一次，計數自動加一，同時還要實現直接跳轉、調用函數，函數返回的功能，因此 PC 的構建過程比移位寄存器要復雜和困難得多。
尤其是 Up 主采用「純手搓」——焊接的過程也會遇到一些虛焊的麻煩，找出問題并解決花費了 Up 主大量時間和精力。其中有一次一個二極管焊反了，Up 主排查了 3 天。
不過，最后的成品很優秀，上電測試也成功通過：
CPU 中還有兩個關鍵的部分——ROM 和 RAM，不過這兩個部分手搓不太現實，Up 主選擇用 hm628512 來組裝 ROM 和 RAM。
然后 Up 主開始構建指令譯碼器，用來解析 CPU 指令以運行，它也是控制器的一部分。
最后還有兩個要組裝的部件：運算器（ALU）和通用緩存。
至此，CPU 中寄存器、控制器、運算器等主要部件已經完備，一個手工焊接的 CPU 就基本做成了！
搓出來了，怎么運行？
由于這個 CPU 是 Up 主自己手搓的，全部是由二級管、三極管和電阻焊接而成，因此沒有現成的指令集和編程語言能夠使用。那這樣的 CPU 怎么跑起來？回歸最原始的二進制吧。
二進制在計算機工作機制中屬于最底層的基礎原理，對于計算機專業的同學來說并不陌生，但用二進制直接編程就不是所有人都能掌握的技能了。UP 主正是借助二進制編程讓手搓的 CPU 跑了起來。
有了二進制碼，怎么輸入機器？Up 主自己上手「扣」代碼，真 · 手敲代碼。目前有三條指令，包括內存賦值指令、內存地址左移指令和跳轉指令。Up 主編寫了一個流水燈的程序，用于測試。
這下指令也輸入了，CPU 能跑出結果嗎？
出現了一些小問題，流水燈有時不能正常亮起。別擔心，有 bug 是常有的事，那 debug 一下吧。
Up 主很快就找到了 bug，是「有個地方斷開了」。修復之后為了讓運行效果更明顯，Up 主又重新寫了一遍二進制代碼，將 CPU 調整為跳轉到 0X00FF 處運行。
再手扣一遍程序，結果是運行成功，流水燈正常亮起，完全沒有問題。
組件完整，能運行程序，這個「爆肝」的手搓項目終于大功告成。
網友留言道：「馮諾依曼大呼內行」。
在完成這個 CPU 的基礎原型之后，林同學下一步打算繼續完善它的功能，讓它可以運行更加復雜的程序。
