愛好家が古いメモリチップから完全に機能するCPUを構築します。すべての配線を手でハンダ付けし、1800行のアセンブラコードを書き、VFDディスプレイでマトリックスを再生します。

一見すると、配線、オンボード部品、そして手作業でハンダ付けされた回路が入り乱れたこの物体は、サイバーパンクの彫刻作品のように見えるかもしれません。しかし、実際には、とてつもなく素晴らしいとしか言​​いようのないプロジェクトです。ある熱心な愛好家が、プロセッサをまるごと作り上げたのです。開発ボードでもマイクロコントローラでもありません。8ビット時代の古いメモリチップとロジック部品だけを使って、命令実行機能とメモリアドレス指定機能を備えた本格的なCPUです。現代のCPUを置き換えるために設計されたのではなく、「EPROMINT」と名付けられた「楽しい」DIYプロジェクトです。

この驚異的なプロジェクトの立案者、Majsterkowanie i nie tylko（略してMINT、英語では「DIY and more」の意）は、3ヶ月を費やしてプロセッサのアーキテクチャの設計、配線、プログラミング、そして細部に至るまでのドキュメント作成を行いました。このアイデアは、EPROMと呼ばれる旧式のメモリチップを使ったシンプルな実験から生まれました。EPROMは元々、PWM調光器やメッセージディスプレイといった小型の外部システムを制御するために設計されていました。そのシンプルな構成が、あるアイデアの火付け役となりました。メモリを使って基本ロジックをシミュレートできるのであれば、完全なプロセッサの構成要素を実現するのもそう遠くないかもしれません。

その後間もなく、この趣味人は回路図にどっぷりと浸かり、8ビット時代の古典的なCPU、特にパーソナルコンピュータ革命の火付け役となったZ80のようなCPUの構造を再現するようになった。その結果生まれたマシンは、見た目は洗練されておらず洗練されていないかもしれないが、実際の命令セットに従って動作し、独自のアセンブラコードを実行し、市販のプロセッサと同様にハードウェア割り込みに反応する。

このプロジェクトは、あらゆるプロセッサの最も基本的なコンポーネントである算術論理ユニット（ALU）から始まりました。最初のプロトタイプは単純な加算処理用に作られましたが、信頼性が低く、廃棄せざるを得ませんでした。後継機はデバッグを容易にするため、完全にソケット化されたものでした。そこから、メモリインターフェース、二次ALUによって駆動されるアドレスバスコントローラ、そして最終的にはオペコードをデコードしてデータフロー全体を調整する制御ロジックが追加されました。

ソフトウェアも完全にゼロから開発されました。プロセッサが命令を処理する方法を定義し、システム内でのデータ移動を効率化し、テスト手順を作成するために、約2,000行のコードが開発されました。これらはすべて、以前の回路基板向けに特別に開発された開発ツールセットを用いて構築されました。命令セットは、乗算、除算、三角関数計算、さらにはビットシーケンスの処理など、従来のCPUの能力をはるかに超えるものでした。開発者の言葉を借りれば、このプロセッサは「ステロイドを投与された」ようなものでした。

すべてのモジュールを接続し、CPUに初めて電源を投入しました。250mAの電流が流れました。以前他のメモリチップ実験に使用した開発セットアップを改造し、新しいプロセッサ用の命令セット一式を生成しました。上の写真のように、点滅するLEDが最初のテストプログラムとして機能し、2つ目のLEDは割り込み検出時に点灯するように接続されています。これは、CPUが命令実行中でも外部イベントを処理できることを実証しています。CPUは現在の動作を一時停止し、割り込み処理を行い、実際のプロセッサと同様に、中断したところから正確に動作を再開します。

最終的に、新たに誕生したCPUはフルサイズのパーフボード4枚分に及び、重量は500グラムを超え、配線を敷設すると1キロメートルを超える長さの配線が敷設されました。すべての論理演算は、あらかじめプログラムされたメモリを用いて実装されました。そのため、シリコン製の物理的なNANDゲートを使用する代わりに、システムは8ビットの入力をEPROMに送り、EPROMは格納されているルックアップテーブルから結果を返します。データルーティングや命令デコードなどの機能はすべてこの方式を採用しています。システムの動作を実証するため、彼はそれをVFDスクリーンに接続し、『マトリックス』を再生するコードを書きました…少なくとも、低解像度の断片を再生しました。

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現代のSoCに埋め込まれたシリコンとは異なり、このプロセッサの実行パスは完全に露出しています。すべてのクロックサイクル、すべてのオペコード、そしてすべてのレジスタ変更が可視化され、追跡可能です。それがこのプロセッサの魅力の一部です。これはまさに、真の意味でパンクロック的なDIYと言えるでしょう。この動画を見ると、私たちのコンピューター内部のCPUがいかに魔法のようであるかを実感できます。数十億個のトランジスタが微細な砂粒の上で舞い、ガラスと純粋な人間の意志によって操られているのです。基本的なプロセッサの構築がこれほど難しいのであれば、TSMCのような企業が達成した製造への野心のスケールを想像してみてください。同様のDIY成果をご覧になりたい方は、Steamデッキを組み立てて作った非公式のSteamコントローラー2や、復活したRTX 5090をご覧ください。

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