从无到有（make something from scratch）一直是工程师的浪漫，例如自行调配出操作系统、自己写系统核心等（如 Linux）。然而在家从无到有打造出“一颗”CPU 就没听过了吧？最近有一位 YouTuber 就在免焊万用电路板（俗称面包板）上，以跳线实做出自己设计的 CPU。
▲ Paulo Constantino 自制的 CPU。（Source：影片截图）
CPU（中央处理器），这么一小颗神奇的高科技黑方块，是现代电脑的核心元件，大多数电脑装置都是 64 位元 CPU，技术层次之深、设计之复杂，要从无到有重新设计、打造出全新的 CPU 谈何容易？1970 年代个人电脑刚萌芽时期的 Intel 8008、Zilog Z80 等 8 位元处理器相对单纯原始，应该比较容易做得到吧？尽管如此，从无到有开发出一个新的 8 位元 CPU 也不是容易事。
不是 AMD、Intel、ARM 等大公司，自己打造 CPU 有可能吗？YouTuber 保罗‧君士坦丁（Paulo Constantino ）就向大家证明了这并非办不到的事。他在自己的 Github 进行名为 Dreamcatcher 的完全自行开发电脑计划──把电脑里每个必要元件都重新设计、手工做出来。
对未受过训练的人来说，君士坦丁的 CPU 作品看起来就像板子上一团又一团的电线。他的作品基于 74HC 系列的 CMOS 积体电路，插在面包板上用电线跳接起来，他花了两天时间画电路图、一个星期时间实际制作。目前还很简陋，编写程式需要用 DIP 开关进行，根据影片，目前只运作过简单程式：从 0 记数到 255（用一排 8 个 LED 灯以二进制表示）、演奏音阶、演奏走音的玛莉兄弟主题曲。
简陋归简陋，不过影片拍摄的时候是 8 位元，现在已经进化到 16 位元，一共拥有 256 道指令的指令集（instructions），现在还做好了简单的 BIOS（基本输入输出系统），当然又是另外一团电线乱乱的面包板。谢天谢地，终于可以输出画面到屏幕上了，君士坦丁的下一个目标就是再做好连接键盘的功能，这样写程式就方便多了，最终目标又能运作 MS-DOS 或 Minix 系统。
▲ Paulo Constantino“写”程式的方法。（Source：影片截图）
这样用面包版绕线做 CPU 原型简直就像愚公移山，不过今日我们认为 PCB 印刷电路板印制、硬件描述语言（Verilog VHDL）、FPGA（可程式化的积体电路）技术是理所当然，而 1980 年以前，还没有这些技术，CPU 原型就是如此打造。一位矢志从无到有重造轮子的自造者，自然要用古法来制作 CPU 原型啰。
▲ Z80 CPU 的原型。（Source：By Wikinaut (Self-photographed) [GFDL or CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons）
更多手工自制 CPU
▲ EASY-4。（Source：影片截图）
看过君士坦丁的作品，我们可能以为全世界就只他一个疯子，其实不然，这种手作 CPU 的非商业专案以前就有了，例如说一位日本老前辈在 1975 年时自制 16 位元 CPU 作品“EASY-4”就是其一，而且现在还在继续改良。
▲ Magic-1 CPU。（Source：影片截图）
看腻了一团又一团电线后，让我们来瞧瞧 Homebrewcpu 自制的 16 位元迷你电脑 Magic-1，这个 CPU 体面多了，有个漂亮的外壳，设计也是采用 74 系列的积体电路，比起起步没多久的 Dreamcatcher，Magic-1 更神了，它靠作者一人独自开发了十年，最后完成完整电脑，系统时脉虽然只有 4.09 Mhz，但执行的系统可是多人多工的 Minix 2，不只会从 0 数到 255，还是一台连上网络的 server，其上运作了网页服务器提供这个网页，还可用以下这个命令登入：
telnet magic-1.org 51515
账号是“guest”、密码为“magic”，假如你会 Unix 指令，可以好好探索一番，里面也有经典程式如 Eliza、Conway’s Life 或 Hunt the Wumpus。如果你不嫌弃这台机器的龟速，上面也有 C 语言的编译器可供开发程式。
更进一步，用积体电路在面包版上绕绕线做 CPU 不算什么，更有趣的，是完全用晶体管做自己的 CPU。巨无霸处理器──詹姆士‧纽曼（James Newman）的 Megaprocessor 专案就是这种计划，该计划目标打造巨大的“微”处理机，足足有一个房间那么大。
它是一“颗”16 位元的 CPU，内含 4 万个晶体管，光是一个 8 位元加法器的元件就有一个大人脚板那么大，运作时脉达 20Khz。这个大家伙看起来就好像 1950 年代的大型电脑还魂，也像一些老派科幻电影里才会出现的电脑。
为何要重新发明轮子？
类似的计划，在 YouTube 搜寻 homebrew CPU 可以找到各式各样作品。然而说回来，这样依古法重造轮子不是很浪费时间跟聪明才智吗？这些人疯了吗？其实不然，比如说现代大大小小电机设备的基础──马达（电动机）我们已司空见惯了，但还记得国小高年级时，自然科学的课程要求每个小朋友用漆包线、铁钉、磁铁手工打造电动机吗？其实大家小时候做的事情跟 19 世纪马达的发明人做的事情没两样。
现代美术的核心已是以电脑绘图为主，然而美术基础教育仍是从铅笔、炭笔素描与水彩静物和户外写生开始，为什么学科要这样安排，是因为透过手作创造早期经典，能最佳掌握一门学问的核心原理，例如说《大人的科学》杂志也是在做类似的事。
今日的 CPU 已发展到内含数十亿晶体管，一个高阶语言程式原码用编译器生成可执行机器码后，CPU 实际执行时的运作细节每每不完全为我们掌握，就像黑盒子，甚至 CPU 有可怕的设计漏洞我们也浑然不知使用许多年。
对资讯科学的教育而言，搞懂 CPU 的运作机制有其必要，以前述 Megaprocessor 专案来说，其实就是英国电算科技历史中心（Centre for Computing History）的展品，由于全面使用晶体管实做，所以可把微处理机放大到每个单元──运算／逻辑单元（ALU）、通用暂存器、特殊暂存器、状态机、IO 输出入等，能分门别类呈现在眼前，辅以满满的 LED 灯显示，得以即时观测 CPU 如何执行程式，而不用跟哆啦 A 梦借缩小灯钻到市售 CPU 里。
Megaprocessor 是非常有教育意义的一台机器，那 Magic-1、Dreamcatcher 等较小型土法炼钢做出的 CPU 呢？探究他们的开发者，不全然只是业余嗜好，许多是软件工程师、资讯科学系所的大学生，为了设计好的编译器或纯粹想搞懂 CPU 运作原理而实际打造。
当我们在说“为什么我们做不出自己的引擎？”“为什么我们做不出自己的 CPU？”抱怨基础科技力低落时，是不是应该要自省：我们是不是问得多、做得少，做得不够深入呢？以后看过教科书的理论，不妨亲手做看看，先不管啥崇高的理念，Just for fun！
- Man Builds Custom 8-Bit CPU From Scratch
（首图来源：shutterstock）
