500-килограммовый процессор из дискретных элементов

Британский инженер построил 500-килограммовый процессор из дискретных элементов.

Megaprocessor — это 16-битный процессор с четырьмя регистрами общего назначения. На отдельных панелях размещены схемы различного назначения, включая память, арифметический блок, ввод/вывод и другие. В системе используется 16-разрядный блок АЛУ и 16-разрядный сумматор. Megaprocessor оснащен 10 000 светодиодов, мигание которых демонстрирует каждый этап процесса вычислений, показывая направление движение данных по схеме. Объем памяти составляет 256 байт. Блок памяти включает 27000 транзисторов. Общее число транзисторов в системе превышает 40 тысяч. Масса процессора — 500 кг. Процессор работает на частоте 20 килогерц.

Зачем все это создавалось? Автор проекта, инженер-электронщик из Великобритании Джеймс Ньюман хотел понять, как работает современный процессор. Он решил, что лучшим способом получить максимальное количество информации о принципах работы транзисторов и процессора будет создание процессора своими силами. По его словам, процесс изучения вышел из-под контроля, и превратился в ежедневную работу.

25 фото + видео
via+via

«Компьютеры непрозрачны. Смотря на них, нельзя понять, как они работают. Что я хотел сделать — это забраться внутрь и понять, что происходит. Проблема в том, что это невозможно осуществить с процессорами обычного размера. Но мы можем построить большой процессор своими руками — и тогда будет понятно, что происходит внутри. Для отображения потоков данных стоит добавить еще и светодиоды — что и было сделано», — говорит Джеймс Ньюман. Теперь за работой Megaprocessor можно наблюдать в режиме реального времени, и любой человек может понять, из каких элементов состоит процессор и как работает каждый блок.

Megaprocessor занимает значительную часть гостиной в доме инженера, причиняя ему известные неудобства.

Для демонстрации вычислительных возможностей процессора инженер решил выбрать игру тетрис. Элементы игры отображаются на большом светодиодном табло с разрешением 32*64 светодиода. Во время игры в режиме реального времени видно все, что происходит внутри процессора.

«Ваш компьютер может быть в миллион раз быстрее той системы, что я построил, но она намного привлекательнее… Я не думаю, что смогу когда-нибудь продать свой проект, но мне хочется, чтобы Megaprocessor был представлен в качестве экспоната в музее или образовательном учреждении», — говорит Ньюман.

Megaprocessor состоит из большого числа элементов, которые собираются в блоки. Отдельные блоки размещаются на стендах. Высота стенда — 2 метра. Ширина — от 1,2 до 1,6 метров. На каждом стенде монтируется небольшое количество модулей — от 2 до 4. Стенд служит как местом для размещения модулей, так и их защитой. Каждый модуль выполняет определенный набор функций. Например, есть модуль АЛУ, декодер и другие. Модули составляются из отдельных плат.

Рамы создавались из экструдированного алюминия. На всех стендах есть подробное описание функций, выполняемых определенным вычислительным блоком. Вот блок регистров специального назначения:

В каркасе есть каналы для проводов питания. Элементы питания закрываются металлической защитой, чтобы ничего не двигалось в случае передвижения стенда:

На боковых частях стенда монтируются соединительные блоки.

На каждом стенде есть сервисная плата, которая монтируется в нижней правой части.

У каждой сервисной платы две функции. Первая — соединение и мониторинг линий питания. Вторая — обеспечение доступа к зажимам питания. Всего в системе 7 стендов.

Megaprocessor разделен на ряд модулей. Вот модуль управляющего автомата:

Здесь видны наборы плат, которые реализуют логику для конкретной подсистемы. Платы собраны в схему, показывающую, что с чем и каким образом связано. Схема отпечатана на картоне, приклеенном к фанере для обеспечения жесткости всей конструкции. Все соединительные провода выведены назад, чтобы не портить внешний вид модуля. Изначально провода были спереди, но это выглядело не слишком красиво.

Чтобы ничего не перепутать, позади тоже есть распечатка всей схемы.

Соединение всех элементов проводами занимает очень много времени.

C самого начала я решил, что в проекте будут использоваться печатные платы. Без них создать нечто сложное было бы невозможно, ведь только соединений в системе свыше 100 000. Большинство средств проекта ушло на платы. Изначально мне хотелось сделать большие платы, но это оказалось безумно сложно, поэтому позже я решил разделить все на мелкие платы, что и было сделано. Для проектирования я использовал CadSoft Eagle.

Проверки выполнялись постоянно, на каждом этапе проекта:
Каждая плата тестировалась перед установкой в модуль;
Каждый модуль тестировался по завершению работы над ним;
Каждый стенд тестировался после окончания работ по установке модулей;
После подключения каждого нового стенда тестировалась вся система.

Для проведения проверки функционирования плат, модулей и стендов использовалось оборудование от BlueChip Technologies.

Всего Ньюман потратил около 40000 фунтов стерлингов. По текущему курсу (после референдума о выходе из ЕС курс фунта упал на 30% по отношению к доллару) это $53071.

Стоимость различных элементов конструкции:
Электроника - £19,000
Платы - £14,000
Алюминий - £3,500
Инструменты - £2,000
Гравировка - £900
Окраска и печать - £900
Крепежи, фанера и т.п. - £500

Затраты на электронные компоненты:

Транзисторы - £2000
Кабели - £1800
Коннекторы - £5000
Чипы (для отладки) - £850
Резисторы - £370
Питание - £800
светодиоды - £1300
Припой - £370
«Остальное железо» - £1100

Общая статистика

Транзисторы - 42 400
Резисторы - 50 500
Светодиоды - 10 500
Соединители - 770
Контактные терминалы - 7 700
Контакты с пайкой - 272 300
Вес припоя - 4.25 кг
Вес свинца - 2.5 кг
Одножильный провод - 1 500 м
20-контактный шлейф - 420 м
Общая длина проводников - 9.9 км
Частота - 20kHz.
RAM - 256 Bytes
Энергопотребление - ~500W
Масса 500 кг
Площадь "процессора" - ~15 m2
Площадь памяти - ~3 m2

Для сравнения, характеристики процессоров

Для того, чтобы облегчить свою задачу, Ньюман создал небольшие платы с максимумом обозначений для элементов. На каждой плате указывалось значение резистора и способ установки транзистора.

Все просто. Но в процессе работы были ошибки — около дюжины тразисторов Джеймс установил неправильно. И найти их было непростой задачей, учитывая общее число этих элементов в проекте. Попробуйте сделать это сами. На фото ниже — плата, где один из транзисторов установлен некорректно.
Автор проекта потратил часы на обнаружение проблемы. Часто один и тот же неправильно установленный транзистор он осматривал несколько раз, не замечая его.

Подключение при помощи коннекторов — простая задача. Но если таких соединений около 500, есть высокая вероятность ошибки. И Джеймс ошибался несколько раз.
На фото проблему можно увидеть сразу — кабель перекосился, и несколько контактов оказались незадействованными. Но обнаружить такую ошибку в массе проводов и соединений очень непросто. Ньюман думал, что проблема в одном из модулей, и потратил огромное количество времени на проверку модулей. А надо было проверить кабель.

Есть и такой тип соединения, как IDC (Insulation Displacement Connector). Между острыми зубьями продевается кабель, чья изоляция прорезается при вставке, и кабель соединяется с зубьями. Все просто. В одном из случаев «зуб» контакта изогнулся и касался соседнего, замкнув схему. Найти проблему было очень непросто.

И еще одна проблема схожего характера. Только в этом случае гнутый «зуб» не обеспечивал должного контакта с проводом.

Неправильная установка соединительных кабелей — еще одна проблема. Причем обнаруживалась она чаще всего уже после подключения такими кабелями отдельных модулей или стендов. Джеймс иногда ошибался в позиционировании коннектора на кабелях. Естественно, схема не работала. И снова шли часы поисков, прозвонки схем, проверки элементов. На фотографии показан правильно обжатый кабель с коннектором и проблемный кабель (вверху).

А вот еще одна частая причина неработающей схемы — недовставлнный кабель, не обеспечивающий должного контакта.

Здесь две платы, одна из которых работала не так, как нужно. Как оказалось, причина была в том, что Джеймс отверткой повредил плату и её замкнуло на крепеж, а тот — на весь стенд. Заметить такое невооруженным глазом практически невозможно.

Иногда при пайке возникали характерные проблемы — замыкание контактов мостиком из припоя. На фотографии увеличенное в несколько раз изображение. Заметить такое сходу очень сложно — нужно детально осматривать все элементы на плате.

Джеймс по профессии схемотехник, и пайкой занимается он с малых лет. На фото выше причина — случайное падение капли олова на схему. Это был единичный случай за все время, но возни с ним было много — найти неправильную пайку оказалось непросто. Джеймс изначально начал проверять все соединения платы и только затем решил осмотреть место пайки.
Еще одна схожая проблема, найти ее удалось только при помощи увеличительного стекла — мостик, образовавшийся при пайке имеет толщину человеческого волоса.

А здесь Джеймс по какой-то причине просто забыл припаять контакты. Целый ряд ножек транзисторов оказался «голым», ни к чему не присоединенным. Эту проблему удалось быстро обнаружить и решить.

Это была одна из наиболее серьезных проблем. Тразисторов в схеме много тысяч. И выход только одного транзистора из строя означает нерабочий Megaprocessor. Во избежание проблемы Джеймс проверял каждый транзистор до пайки. Потом — после пайки. Потом — все транзисторы на схеме. И все равно оказывалось, что какие-то платы не работают, и виной тому — дефектный транзистор. Причиной повреждения обычно становился электростатический разряд. Транзисторы типа 2N7000 очень чувствительны к такому типу воздействия.

Причем если плата вчера работала, то сегодня она могла уже не работать. Почему? Причина оказалась необычной. Это… пылесос по имени Генри.

Джеймс Ньюман думал, что транзисторы повреждаются при включении питания некоторых схем. После проверки оказалось, что это не так. И только после многих часов бесплодных попыток найти источник статики он вспомнил, что получал небольшой удар током, касаясь пылесоса. А этим пылесосом он чистил некоторые стенды после их готовности, совершенно забыв о том, какой проблемой может быть пылесос (в частности, чистить платы компьютеров или ноутбуков пылесосом нелья — об этом предупреждают многие производители ПК). В итоге Генри отправился на чистку ковров, стенды очищались уже вручную. И транзисторы прекратили выходить из строя.