🔹 🏤 👋🏿 Ein britischer Ingenieur baute einen 500 kg schweren diskreten Prozessor. Arbeitsschritte und Interviews mit dem Schöpfer ✊🏿 👩🏾‍🚒 👨🏻‍✈️

Megaprozessor ist ein 16-Bit-Prozessor mit vier Universalregistern. Separate Felder enthalten Diagramme für verschiedene Zwecke, einschließlich Speicher, Recheneinheit, Eingabe / Ausgabe und andere. Das System verwendet eine 16-Bit-ALU-Einheit und einen 16-Bit-Addierer. Der Megaprozessor ist mit 10.000 LEDs ausgestattet, deren Blinken jede Phase des Berechnungsprozesses anzeigt und die Richtung der Datenbewegung gemäß dem Schema anzeigt. Die Speicherkapazität beträgt 256 Bytes. Der Speicherblock enthält 27.000 Transistoren. Die Gesamtzahl der Transistoren im System überschreitet 40.000. Die Masse des Prozessors beträgt 500 kg. Der Prozessor arbeitet mit einer Frequenz von 20 Kilohertz.

Warum wurde das alles geschaffen? Der Autor des Projekts, ein Elektronikingenieur aus Großbritannien, James Newman, wollte verstehen, wie ein moderner Prozessor funktioniert. Er entschied, dass der beste Weg, um die maximale Menge an Informationen über die Funktionsprinzipien von Transistoren und eines Prozessors zu erhalten, darin besteht, einen eigenen Prozessor zu erstellen. Ihm zufolge geriet der Studienprozess außer Kontrolle und wurde zu einer täglichen Arbeit.

„Computer sind undurchsichtig. Wenn man sie betrachtet, kann man nicht verstehen, wie sie funktionieren. Ich wollte hineinklettern und verstehen, was los war. Das Problem ist, dass dies mit Prozessoren normaler Größe nicht möglich ist. Aber wir können einen großen Prozessor mit unseren eigenen Händen bauen - und dann wird klar, was im Inneren passiert. Um die Datenströme anzuzeigen, lohnt es sich, auch LEDs hinzuzufügen, was getan wurde “, sagt James Newman. Jetzt kann der Megaprozessor in Echtzeit überwacht werden und jeder kann verstehen, aus welchen Elementen der Prozessor besteht und wie jede Einheit funktioniert.

Der Megaprozessor nimmt einen erheblichen Teil des Wohnzimmers im Haus des Ingenieurs ein, was ihm gewisse Unannehmlichkeiten bereitet.

Um die Rechenleistung des Prozessors zu demonstrieren, entschied sich der Ingenieur für ein Tetris-Spiel. Elemente des Spiels werden auf einem großen LED-Display mit einer Auflösung von 32 * 64 LEDs angezeigt. Während des Spiels in Echtzeit ist alles sichtbar, was im Prozessor passiert.

"Ihr Computer ist zwar millionenfach schneller als das von mir erstellte System, aber viel attraktiver ... Ich glaube nicht, dass ich mein Projekt jemals verkaufen kann, aber ich möchte, dass Megaprocessor als Ausstellung in einem Museum oder einer Bildungseinrichtung präsentiert wird "Sagt Newman.

Systemmontage

Megaprozessor besteht aus einer großen Anzahl von Elementen, die in Blöcken zusammengesetzt sind. Separate Blöcke werden auf Ständer gestellt. Die Höhe des Standes beträgt 2 Meter. Breite - von 1,2 bis 1,6 Meter. An jedem Stand ist eine kleine Anzahl von Modulen montiert - von 2 bis 4. Der Stand dient als Platz zum Platzieren der Module und ihres Schutzes. Jedes Modul führt einen bestimmten Funktionssatz aus. Zum Beispiel gibt es ein ALU-Modul, einen Decoder und andere. Module bestehen aus einzelnen Karten.

Steht

Die Rahmen bestanden aus stranggepresstem Aluminium. An allen Ständen gibt es eine detaillierte Beschreibung der Funktionen, die von einer bestimmten Recheneinheit ausgeführt werden. Hier ist ein Block von Spezialregistern:

Der Rahmen hat Kanäle für Stromkabel. Die Batterien sind mit einem Metallschutz versehen, damit sich bei Bewegung des Ständers nichts bewegt:

Anschlussblöcke sind an den Seiten des Ständers angebracht.

Jeder Ständer verfügt über eine Serviceplatine, die unten rechts montiert ist.

Jede Serviceplatine hat zwei Funktionen. Das erste ist das Anschließen und Überwachen von Stromleitungen. Die zweite Möglichkeit ist der Zugriff auf die Stromanschlüsse. Es gibt 7 Stände im System.

Module

Der Megaprozessor ist in mehrere Module unterteilt. Hier ist das Modul des Steuerautomaten:

Hier sehen Sie die Kartensätze, die die Logik für ein bestimmtes Subsystem implementieren. Die Platinen sind in einer Schaltung zusammengesetzt, die zeigt, was mit was und wie verbunden ist. Die Schaltung ist auf Pappe gedruckt, die auf Sperrholz geklebt ist, um der gesamten Struktur Steifheit zu verleihen. Alle Verbindungsdrähte werden zurückgeführt, um das Erscheinungsbild des Moduls nicht zu beeinträchtigen. Anfangs waren die Drähte vorne, aber es sah nicht allzu hübsch aus.

Um nichts zu verwirren, gibt es auch eine Auflistung des gesamten dahinter liegenden Schemas.

Das Verbinden aller Elemente mit Drähten dauert sehr lange.

Gebühren

Von Anfang an habe ich beschlossen, PCBs im Projekt zu verwenden. Ohne sie wäre es unmöglich, etwas Kompliziertes zu erstellen, da nur Verbindungen im System über 100.000 sind. Der größte Teil der Projektmittel ging an die Vorstände. Anfangs wollte ich große Bretter machen, aber es stellte sich als wahnsinnig schwierig heraus, und so beschloss ich später, alles in kleine Bretter aufzuteilen, was getan wurde. Für das Design habe ich CadSoft Eagle verwendet.

Andere Gebühren sind auf dem zu sehen Link hier .

Überprüfen Sie

In jeder Phase des Projekts wurden ständig Überprüfungen durchgeführt:

Jede Karte wurde vor der Installation im Modul getestet.
Jedes Modul wurde nach Abschluss der Arbeiten getestet.
Jeder Stand wurde nach Abschluss der Installation der Module getestet;
Nach dem Anschließen jedes neuen Standes wurde das gesamte System getestet.

Zur Überprüfung des Betriebs von Platinen, Modulen und Ständern wurden Geräte von BlueChip Technologies verwendet.

Finanzielle Komponente

Insgesamt gab Newman etwa 40.000 Pfund aus. Zum aktuellen Kurs (nach dem Referendum über den Austritt aus der EU fiel das Pfund gegenüber dem Dollar um 30%) sind dies 53071 USD.

Die Kosten für verschiedene Strukturelemente:

Elektronik	£ 19.000
Gebühren	£ 14.000
Aluminium	£ 3.500
Die Werkzeuge	£ 2.000
Gravur	£ 900
Färben und Drucken	£ 900
Verbindungselemente, Sperrholz usw.	£ 500

Die Kosten für elektronische Komponenten:

Transistoren	£ 2000
Kabel	£ 1800
Anschlüsse	£ 5000
Chips (zum Debuggen)	£ 850
Widerstände	£ 370
Ernährung	£ 800
LEDs	£ 1300
Löten	£ 370
"Der Rest ist Eisen"	£ 1100

Allgemeine Statistiken

einiger Statistiken:

Transistoren	42.400
Widerstände	50.500
LEDs	10.500
Anschlüsse	770
Kontaktklemmen	7.700
Gelötete Kontakte	272.300
Lötgewicht	4,25 kg
Bleigewicht	2,5 kg
Einzeldraht	1.500 m
20-poliges Flachbandkabel	420 m
Gesamtlänge der Leiter	9,9 km

Im Projekt verwendete Boards

Board-Typ	Transistoren an jedem	LEDs an jedem	Menge verwendet	Alle Transistoren	insgesamt leds
2AND	5	3	72	360	216
3AND	7	4	18	126	72
4AND	9	5	5	45	25
2OR	5	3	54	270	162
3OR	7	4	34	238	136
4OR	9	5	23	207	115
5OR	11	6	16	176	96
8OR	17	9	6	102	54
Xor	7	3	5	35	15
2x2 AND_OR	14	9	47	658	423
2x3 AND_OR	18	11	7	126	77
4x2 AND_OR	26	17	16	416	272
8x2 AND_OR	50	33	9	450	297
1BUF	2	2	28	56	56
4BUF	8	8	5	40	40
4dec	19	7	8	152	56
16DEC	82	21	7	574	147
2x16MUX	118	52	3	354	156
4x16MUX	241	93	20	4820	1860
16REG	226	33	8	1808	264
8ADD	302	187	5	1510	935
8LOGIK	158	126	3	474	378
BUS SPLIT	16	16	119	1904	1904
BUS SPLIT (keine LEDs)	0	0	9	0	0
3x2 DIGIT (7 Segmente)	0	0	8	0	0
4 DIGIT (7 )	0	0	11	0	0
16 DIGIT (7 )	0	0	2	0	0
BUS 2 BUS	0	0	40	0	0
2 TEE	0	0	17	0	0
4 TEE	0	0	15	0	0
BYTE_2_WORD	0	0	13	0	0
SHIFT	37	34	8	296	272
8B RAM	766	64	32	24512	2048
4 MEM MUX	252	40	10	2520	400
2 MEM MUX	141	24	1	141	24
			:	42370	10500

Falsch installierte Transistoren

Um seine Aufgabe zu erleichtern, erstellte Newman kleine Leiterplatten mit maximaler Bezeichnung für Elemente. Auf jeder Platine wurden der Wert des Widerstands und die Methode zur Installation des Transistors angegeben.

Alles ist einfach. Aber es gab Fehler im Prozess - ungefähr ein Dutzend Transistoren, die James falsch installiert hatte. Angesichts der Gesamtzahl dieser Elemente im Projekt war es schwierig, sie zu finden. Versuche es selbst zu machen. Auf dem Foto unten befindet sich eine Platine, auf der einer der Transistoren falsch installiert ist.

Der Projektautor hat Stunden damit verbracht, das Problem zu finden. Oft inspizierte er denselben falsch installierten Transistor mehrmals, ohne es zu merken.

Anschlüsse

Das Verbinden mit Steckverbindern ist eine einfache Aufgabe. Wenn es jedoch ungefähr 500 solcher Verbindungen gibt, besteht eine hohe Fehlerwahrscheinlichkeit. Und James hat sich mehrmals geirrt.

Schrägkabel

Auf dem Foto sehen Sie das Problem sofort - das Kabel ist schief und mehrere Kontakte werden nicht verwendet. Es ist jedoch sehr schwierig, einen solchen Fehler in der Masse der Drähte und Verbindungen zu erkennen. Newman glaubte, dass das Problem in einem der Module lag, und verbrachte viel Zeit damit, die Module zu überprüfen. Aber ich musste das Kabel überprüfen.

Gebogene Zähne

Es gibt auch eine Art von Verbindung wie IDC (Insulation Displacement Connector). Ein Kabel wird zwischen scharfen Zähnen eingeführt, deren Isolierung beim Einführen durchgeschnitten wird, und das Kabel wird mit den Zähnen verbunden. Alles ist einfach. In einem Fall bog sich der „Zahn“ des Kontakts und berührte den benachbarten, wodurch der Stromkreis geschlossen wurde. Ein Problem zu finden war sehr schwierig.

Und noch ein Problem ähnlicher Art. Nur in diesem Fall bot der gebogene „Zahn“ keinen ordnungsgemäßen Kontakt mit dem Draht.

Kabel

Die fehlerhafte Installation von Patchkabeln ist ein weiteres Problem. Darüber hinaus wurde es am häufigsten nach dem Anschließen solcher Kabel an einzelne Module oder Ständer erkannt. James hat sich manchmal geirrt, den Stecker an den Kabeln zu positionieren. Natürlich hat die Schaltung nicht funktioniert. Und wieder gingen die Stunden des Suchens weiter, das Glockenspiel der Schaltkreise, die Überprüfung der Elemente. Das Foto zeigt ein korrekt gecrimptes Kabel mit einem Stecker und einem Problemkabel (oben).

Und hier ist ein weiterer häufiger Grund für einen unterbrochenen Stromkreis - ein unterinstalliertes Kabel, das keinen ordnungsgemäßen Kontakt bietet.

Kontaktschluss

Kurzschluss zum Gehäuse

Es gibt zwei Boards, von denen eines nicht so funktioniert hat, wie es sollte. Wie sich herausstellte, war der Grund, dass James das Board mit einem Schraubendreher beschädigte und es an den Befestigungselementen und an diesem befestigte - am gesamten Ständer. Es ist fast unmöglich, dies mit bloßem Auge zu bemerken.

Lot

Manchmal , wenn typische Probleme Löten auftreten - Kontaktschluss Brücke von Lot. Auf dem Foto wird das Bild mehrmals vergrößert. Es ist sehr schwierig, einen solchen Abstieg zu bemerken - Sie müssen alle Elemente auf der Tafel im Detail untersuchen.

James ist von Beruf Schaltungsingenieur und lötet seit seiner frühen Kindheit. Auf dem Foto oben ist der Grund ein versehentlicher Tropfen eines Zinntropfens auf der Rennstrecke. Es war für die ganze Zeit ein Einzelfall, aber es gab viel Aufhebens um ihn - es war nicht leicht, das falsche Löten zu finden. James begann zunächst alle Platinenanschlüsse zu überprüfen und beschloss erst dann, den Ort des Lötens zu inspizieren.

Ein weiteres ähnliches Problem wurde nur mit einer Lupe festgestellt - die durch Löten gebildete Brücke hat die Dicke eines menschlichen Haares.

Und Löten.

Und hier hat James aus irgendeinem Grund einfach vergessen, die Kontakte zu löten. Eine ganze Reihe von Transistorbeinen erwies sich als „nackt“ und an nichts gebunden. Dieses Problem wurde schnell entdeckt und gelöst.

Transistor defekt

Dies war eines der schwerwiegendsten Probleme. Es gibt viele tausend Transistoren in der Schaltung. Und der Ausfall nur eines Transistors bedeutet einen nicht funktionierenden Megaprozessor. Um Probleme zu vermeiden, überprüfte James jeden Transistor vor dem Löten. Dann - nach dem Löten. Dann - alle Transistoren in der Schaltung. Und dennoch stellte sich heraus, dass einige Karten nicht funktionierten und der Fehler der fehlerhafte Transistor war. Die Schadensursache war normalerweise eine elektrostatische Entladung. Transistoren vom Typ 2N7000 reagieren sehr empfindlich auf diese Art der Belichtung.

Wenn das Board gestern funktionierte, konnte es heute nicht mehr funktionieren. Warum? Der Grund war ungewöhnlich. Es ist ... ein Staubsauger namens Henry.

James Newman dachte, dass Transistoren beschädigt werden, wenn die Stromversorgung einiger Schaltungen eingeschaltet wird. Nach Überprüfung stellte sich heraus, dass dies nicht so ist. Und erst nach vielen Stunden erfolgloser Versuche, eine statische Quelle zu finden, erinnerte er sich daran, dass er einen kleinen elektrischen Schlag erhielt, der den Staubsauger berührte. Und mit diesem Staubsauger reinigte er einige Ständer, nachdem sie fertig waren, und vergaß dabei völlig, was für ein Problem ein Staubsauger sein könnte (insbesondere das Reinigen von Computern und Laptops mit einem Nicht-Staubsauger - viele PC-Hersteller warnen davor). Infolgedessen ging Henry, um die Teppiche zu reinigen, die Ständer wurden von Hand gereinigt. Und die Transistoren hörten auf zu versagen.

Andere Probleme

Es gab eine große Anzahl von ihnen. Newman arbeitete fünf Jahre an dem Projekt, und natürlich passierte fast jeden Tag etwas. Fehler, technische Störungen, Kurzschlüsse, falsche Modellierung und vieles mehr - dies ist nur ein kleiner Teil der Probleme. Es ist nicht möglich, all dies in einem Artikel zu beschreiben. Es ist besser zu lesen, was James selbst über Probleme während der Implementierung des Projekts schreibt .

Interview mit James Newman

Ich konnte nicht einfach über dieses grandiose Projekt schreiben, ohne dem Autor ein paar Fragen zu stellen. James erklärte sich sofort bereit, ein wenig über sein Projekt für Leser von Geektimes zu sprechen.

Wie sind Sie auf die Idee gekommen, dieses Projekt zu erstellen?

Es ist vor fünf Jahren passiert. Die Idee entstand unter dem Einfluss zweier Faktoren. Ich habe Experimente mit Transistoren durchgeführt, um zu verstehen, wie sie funktionieren. Darüber hinaus begannen Kollegen bei meiner Arbeit, die Möglichkeit des Aufbaus eines Computersystems aus diskreten Logikschaltungen zu diskutieren. Und ich wollte einen Computer nicht aus separaten Mikroschaltungen, sondern aus diskreten Transistoren erstellen. Ich wollte ein System schaffen, in das eine Person passen kann, die beobachten kann, wie das alles funktioniert. Wie könnte es aussehen?

Wie viel Zeit ist zwischen der Idee und dem Start des Projekts vergangen?

Nicht zu viel. Ich begann fast sofort mit den Vorbereitungsarbeiten für die Umsetzung des gesamten Projekts zur Schaffung eines Computersystems. Etwa ein Jahr wurde für diese Arbeit und Experimente aufgewendet.

Und wie groß ist die Diskrepanz zwischen dem ursprünglichen Plan und der tatsächlichen Projektdauer?

Es schien mir, dass ich meine Idee in einem Jahr verwirklichen konnte. Das Projekt dauerte jedoch fast fünf Jahre. Dies geschah, weil ich bereits anfing zu handeln und beschloss, etwas Grandioseres zu bauen, als ich geplant hatte.

Was können Sie als große oder kleine Probleme bezeichnen, die während der Arbeit aufgetreten sind? Welche von ihnen waren kritisch?

Das Hauptproblem, das die Arbeit für eine Weile eingestellt hat, ist die Entwicklung des Multiplexers. Einige Zeit habe ich daran gearbeitet, das Problem des parasitären Diodeneffekts zu lösen, der für MOS-Transistoren relevant ist. ( Die überwiegende Mehrheit der Geräte mit MOS-Technologie ist so ausgelegt , dass die Source des Transistors mit dem Halbleitersubstrat der Struktur verbunden ist. In diesem Fall wird zwischen Source und Drain eine sogenannte parasitäre Diode gebildet. Die Beseitigung dieser Diode ist mit erheblichen technologischen Schwierigkeiten verbunden, weshalb sie gelernt haben, sie zu ertragen und sogar in Schaltungslösungen zu verwenden. - Ed. ). Als Ergebnis habe ich Boards entwickelt, die das Problem behoben haben, aber größer waren als ich erwartet hatte.

Ein weiteres Problem ist die Komplexität der Erstellung von Racks, deren Design zu kompliziert war. Ich habe keine allzu gute räumliche Vorstellungskraft.

Abgesehen davon musste ich ständig kleinere Probleme lösen, es gab nur eine große Anzahl von ihnen sowohl während des Entwurfsprozesses als auch während der Umsetzung des geplanten Plans.

Wenn Sie über all diese Probleme Bescheid wüssten, würden Sie an einem Projekt arbeiten?

Ich vermutete, dass so etwas passieren würde. Das würde mich nicht aufhalten. Anfangs wollte ich nur wissen, wie alles funktioniert. Aber wenn ich wüsste, wie groß der Prozessor sein würde und wie viel Geld in das Projekt fließen würde, würde ich es nicht tun. Der Megaprozessor ist zu groß für mein Haus, und ich möchte ein anderes Haus dafür finden.

Hatten Sie irgendwelche Gedanken darüber, die Arbeit im Verlauf des Projekts einzustellen?

Es gab mehrere Fälle, in denen meine Begeisterung nachließ, was eine Verlangsamung bedeutete. Gleichzeitig erlaubte ich mir nicht, mich vollständig zu entspannen. In solchen Fällen zwang ich mich jeden Tag, etwas zu tun, egal wie unbedeutend diese Aufgabe war. Ich sagte mir: "Du kannst einen Elefanten essen, du musst nur Stück für Stück abbeißen."

Ihr Projekt ist sehr berühmt geworden. Gibt es kommerzielle Angebote? Vielleicht haben Sie bereits beschlossen, Megaprocessor einem Museum oder einer Universität zu geben?

Keine kommerziellen Angebote! Ich glaube nicht, dass ich das ausgegebene Geld zurückerhalten könnte, und das war nie das Ziel. Ich möchte Megaprocessor einem Museum oder einer ähnlichen Organisation geben. Die Verhandlungen sind bereits im Gange.

Benötigt das System besondere Pflege?

Nein, nichts dergleichen ist erforderlich. Es ist nur Vorsicht geboten. Dies gilt insbesondere für statische Elektrizität - eine kleine Ladung kann etwas beschädigen.

Wie geben Sie Daten in das System ein?

Ich verwende derzeit eine modifizierte Version des Venom Arcade Sticks. Zuerst wollte ich eine serielle Schnittstelle verwenden, über die ich einen PC verwenden kann. Ich habe das Interface entwickelt, hergestellt, aber noch nicht getestet.

Wie hoch ist der Stromverbrauch des Systems?

Ich denke an 300 Watt. Das meiste davon geht an LEDs.

Ist etwas im System kaputt gegangen, nachdem der Megaprozessor bereit war?

Das einzige Problem, auf das ich stieß, war ein langsameres System als ursprünglich geplant. Wie sich herausstellte, sind die falsch ausgewählten nominalen Pull-up-Widerstände der Grund. Es war notwendig, Widerstände mit einem Nennwert von nicht 10k, sondern nur 470 zu wählen. Eine andere Sache ist kein Problem, sondern mein Wunsch. Ich möchte die Möglichkeit bieten, die Helligkeit des Displays anzupassen. Aber jetzt ist es zu spät, um darüber nachzudenken.

Megaprozessor hat viele Zehntausende von Teilen. Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass im Laufe der Zeit alles ohne Ausfälle funktioniert?

Sehr gute Frage. Und beängstigend. Ich denke, wenn Sie die elektronischen Komponenten des gesamten Systems nicht bewegen oder berühren, ist alles in Ordnung. Das Problem ist jedoch, dass sich der Megaprozessor in meinem Wohnzimmer befindet und ich die Ständer bewegen muss. Jedes Mal, wenn ich dies tue, besteht die Möglichkeit, dass die Verbindung beschädigt wird. Die Wahrscheinlichkeit ist gering. Vielleicht 10%. Letzten Samstag habe ich eine Fehlfunktion auf einem der Boards gefunden. Es gab zuvor Probleme beim Bewegen der Stände. Daher habe ich berechnet, dass einmal von zehn eine Fehlfunktion während der Bewegung der Ständer auftritt. Wenn ich alles in ein Auto stecke und das System in einem neuen Haus installiere, bekomme ich sicher ein paar Fehlfunktionen. Gegen zehn.

Haben Sie Ideen für neue Projekte?

Das erste, was ich tun muss, ist das Haus und den Garten aufzuräumen. Sie wurden für mehrere Jahre aufgegeben. Danach werde ich sehen, was noch zu tun ist.

Was können Sie Leuten raten, die etwas Ähnliches vorhaben?

Praktischer Rat: Wenn Sie an einem Projekt dieser Größenordnung arbeiten, sollten Sie eine klare Vorstellung davon haben, was Sie tun. Sie müssen ein Fachmann auf Ihrem Gebiet sein und in jedem Schritt professionell sein. Wenn Sie etwas entwickeln, müssen Sie sicherstellen, dass alle erstellten Elemente in der Montagephase miteinander kompatibel sind.

Abstrakter Tipp: Der Einstieg ist einfach und schwer zu beenden. Warum willst du das tun? Sobald Sie anfangen, etwas zu tun, werden Sie später feststellen, dass dies besser gemacht werden kann, und Sie werden diesen Schritt erneut ausführen. Und immer wieder. Vor zwei Jahren wurde mir klar, dass ich nichts beenden werde, wenn ich die ganze Zeit alles wiederhole. Und ich habe mich entschlossen, mit der Bewertung "nicht schlecht" auf der Bühne anzuhalten, da diese Phase in den meisten Fällen den Plänen entspricht. Ich weiß, dass das Projekt viele Fehler enthält und viele Dinge, die besser gemacht werden könnten. Aber ich habe mein Projekt trotzdem beendet und bin glücklich.

Ein britischer Ingenieur baute einen 500 kg schweren diskreten Prozessor. Arbeitsschritte und Interviews mit dem Schöpfer