150osakaconf資料「CPU自作した話」

Making CPU by electric working beginner 電子工作初心者が CPU自作した話 知識ゼロから始めるコンピュータアーキテクチャ O’CREILLY お蔵入り・ジャパン Basyo-Engineer 著 hogehoge 訳

自己紹介 • 芭蕉梶木です．バショウカジキって読みます． • 矢田山まるごと奈良高専に隔離中．一応情報科 生（二年）．合氣道と電研にいる • 低レイヤー，特にコンピュータアーキテクチャ に ↓今のアイコン ↓前のアイコン 興味がある • Twitter: Basyo__Engineer

もくじ • CPUについて知ろう • 自作したCPU「PEC-1」 • CPUを自作する方法 • CPU創った後の話とか

そのまえに • 自作CPU Advent Calendar 2023に「技術的な」 記事を同じ内容で挙げてます • 今回の登壇では，記事に載せなかった 内容についても話します 全人類読んで→

CPU創ったことある？

CPUについて知ろう

What is CPU ? • 最近流行りの「半導体」を使いまくった 製品．Central Processing Unit • あらゆるプログラムを実行できる ↑Turing完全 • トランジスタというスイッチが 数十億くらい詰まっている． ムーアの法則えぐい よくわからん魔法の石 • CPU自体を計算機とかと言ったりする

Turing完全の説明 • Turing完全 • 万能Turing Machineと一緒の性能であること • 万能Turing Machine…あらゆる単機能のプログラムを読み 込んで実行できる機械 • とりあえず，「万能な計算機である状態」がTuring完全 • Alan Turingが数学の問題(Hilbertの完全問題)を証明するため に考案 • 計算可能＝アルゴリズムが構築できるなら，問題が解ける

ムーアの法則の説明 • ムーアの法則 • プロセッサに含まれるトランジスタの集積度合が 前年の二倍ずつ増える． 指数関数的に増えるので，十数年で限界を迎えるのが早い． • 逆に，集積技術が向上したり，新しい技術が構築されやすい • トランジスタ数 • Intel 4004(世界初のマイクロプロセッサ)…2300個 • Intel Coreシリーズ12世代…数十億個 • 50年で100万倍近く

CPUは究極の基盤技術 • あらゆるプログラムを動かすためのコンパイラなど 言語処理系 • ソフトウェアを動かすためにPC全体を管理するOS • ネットワークとか • こういうレイヤーの低い情報技術から，ソフトウェ ア・WEBの最前線の技術すべて支えるのがCPU • しかしアーキテクチャ分野に進む人は少ない （地味でおもんないと思われてるらしい）

CPU自作は敷居高い • ほとんどの人は作ったことがない →「ブラックボックス」が故難しい • イマドキはFPGAとかシミュレータ ↑実機実装する人が少ない • 仕組み知ってても技術的にムリ 敷居を低くし，アウトリーチに繋げる

まず始める前に • そもそも何からしたらいいかわからん →古くからのいい本に出会いましょう． やり方が大体書いてる ←電子工作からする． CPU自作の登竜門 実機じゃないけど→ 低レイヤ全体カバー Nand2Tetris

自作したCPUの話

PEC-1 • Prototype Experimetal Computer No.1 • 命令長：2オペランド命令，8bit • データ長：6bit ←ASCII入らんやん • 汎用レジスタ：4つ • ROM：幅8+6bit(即値) サイズ32 • 動作クロック:1Hz

ALU • 6bitデータの演算 • 加減算，NAND演算可能 • ゼロフラグ，サインフラグ， オーバーフローフラグ • 74HC283で基本実装 • データ選択とか減算部分は 基本論理ゲート

Data Selector & Register • Data Slector • 汎用レジスタと即値データの選択 • 74HC138を使った ↑8-1のセレクタ • Register • 74HC161を使った • プログラムカウンタに合わせて6bit．後悔した • 非同期クリアだし，読み込み/カウンタ選択できる • Lチカきれい

Instruction Decoder • 今回は実装間に合わないのでRasberry Pi Pico W を使った． • Pythonなんも知らんから， 超冗長なコード • GPIOから電圧レベル取得 →配列でIf文処理 →GPIO出力を決める

ROM • 原型になった「TD4」はROMをDIP SWで実装 • スイッチをプルアップで繋げる←永久的に記憶 • 8bitと6bitのスイッチをそれぞれ32個， スイッチングダイオード400本くらいのはんだ付け • これのためにプリント基板で実装 えぐ過ぎる→

発狂実装 • 高専祭三日前に基板が届く • 間に合わないので総動員ではんだ付け • ROMとかえぐかった • ICは便利 • いいはんだごてを使おう • 高専祭前日に完成

閑話休題

推しの話をしよう

推しの話 • 『ブルーアーカイブ』の各務チヒロ • ハッカー集団「ヴェリタス」副団長 • サーバーセキュリティメインらしい • 性癖しかない

ビジュ良すぎ • 職業人？（高3です) • 新ビジュで無量空処食らった • スカジャン発売らしい．金消える

CPUを自作する方法

何から始めるか • 基本的にISA設計，アセンブラ設計，ユニット設計，基 板実装の順番 • 今回アセンブラは飛ばした． • 良いISAから良いCPUは生まれるし，良いALUを作るこ とも大事（？） • シミュレータ使えばほぼ6割は完成している

ISA設計 • ISA，もしくは命令セットと呼ばれる命令群 • CPUが実行可能な命令の一覧 • CISCとRISCの設計思想(今回はRISCもどき) • どういうマシン語(二進数)の割り当てをするかが大事 • 後々回路設計にも影響する • オペコード4bit(16命令) + 2オペランド命令4bit

ユニット実装 • どういう部品をCPUに載せるか • ALU，レジスタ，セレクター，ROMとか… • これらは全部論理ゲートで実装可能 • 必要最低限で実装 • 『CPUの創りかた』のＴＤ4を原型として設計 • 既存のロジックICをうまく利用する • たまにNANDとかリレーだけで実装する変態がいる

何で設計 • シミューレータでいったん設計 • Logisimを使ってCPUを作る • 瀬長おぢさんに影響を受ける • 回路設計 • Logisimで作った論理回路をもとに 74HCシリーズをあさって設計 • KiCADを使った • 結構つらかった Logisim

実装 • 届いた基板と購入した部品をはんだ付け • 部品名や容量・値がわかるように基板設計段階で シルクをつけておく • 良いはんだごてを使おう ありえんくらい効率が良くなるので

CPU完成 • 自作CPU「PEC-1」ができた • Twitterに上げたらちょっとバズった • 界隈に認知された • 400いいね近く • 90RT • 3.9万人に見られたCPU

CPU自作後日談

やばいやつ現る • TwitterにISAを公開したら次の日FPGAで実装してきた 人が出る • 「データを2Byte，ROMを増やしました」 • 勝手に増やすな．こっちはDIP SWだぞ • 「乗除算・素数表示プログラム作ってみました」 • 大容量のROMで殴るな • 「ぼくのPEC-1」 • 俺が設計したPEC-1やぞ • ↑いじめ？

思ったこと • 素人の自分の開発期間1カ月は玄人の数時間 • FPGAで全部解決できるからIC実装の メリットない →FPGA買ってVerilogで遊ぼう • ISAは公開しない（OSS文化の否定） • 殴られそう • 俺より良いの創ってリプしないでほしい（涙目）

高専祭展示 • PEC-1を奈良高専祭に展示 • 結構人は来た • しかし，CPUだけなぜか避けられる • 「これって何？」「これは何ができるの？」 • この質問結構つらい • 説明が難しい．サイエンスコミュニケーションの力要 る • エンジニアの人は凄さがわかる．食いついた．

開発動機 • そもそもコンピュータアーキテクチャに興味あった • 小学生の時「FACOM」というリレー計算機に出会う • MakerFaireとか行く • 空白の中学時代 • 高専入って，「CPUの創りかた」に出会う • 実装は置いといてすべて読む • 高専祭に向けて，拡張したCPUを作りたくなる • やっぱりCPUとか低レイヤーやる人かっこいい

技術活動はまず踏み出すところから • 技術活動に踏み出すのはかなり難しい • イカれた環境にいたり，運が良かったりする人はいる • そうでなくても始める敷居は低くなった • いったんデカい目標を短期でやってみたり？ • 与沢翼もそう言っている • 知らないことが多いから，必要な知識を一度に大量に取り込 む • 自分はこれでかなり成長できた（と思っている）

技術創作は あなたを待っている