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GN⁺: Zilog Z80 CPU - 현대적이고 무료이며 오픈 소스인 실리콘 클론

 (github.com/rejunity)
1P by neo 3달전 | favorite | 댓글 1개

Zilog Z80 CPU의 오픈소스 실리콘 클론 개발

  • 2024년 4월 15일, Zilog사는 역사상 가장 유명한 8비트 CPU 중 하나인 Z80의 단종을 발표함
  • 오픈소스 및 하드웨어 보존 커뮤니티가 Zilog Z80을 대체할 수 있는 자유 오픈소스 실리콘(FOSS) 개발에 착수할 시기임
  • FOSS Z80의 첫 번째 제작은 2024년 6월로 예정되어 있음

FOSS Z80의 첫 번째 실리콘 버전

  • 첫 번째 버전은 Tiny Tapeout 07을 사용하여 130nm 공정으로 개발되었으며, 0.064mm² 다이 면적에 맞춰짐
  • 첫 번째 제작은 2024년 6월 CI 2406 셔틀의 일부로 예정되어 있음
  • 구현은 Guy Hutchison의 TV80 Verilog 코어를 기반으로 함
  • OpenROAD의 자동 배치 및 배선 플로우를 사용하여 130nm "게이트" 로직 요소로 생성된 FOSS Z80의 GDSII 집적 회로 레이아웃 이미지가 제시됨

향후 계획 및 할 일

  • 테스트 벤치에 '불법' 명령어 실행 테스트 ZEXALL 추가
  • A-Z80, Z80Explorer 등 다양한 Verilog 코어 구현 비교
  • ChipIgnite에서 QFN44 패키지로 제작
  • DIP40 패키지로 제작
  • 원래 Z80 레이아웃과 유사한 게이트 레벨 레이아웃 생성 (Zilog은 Z80을 설계할 때 각 트랜지스터를 수작업으로 배치함)

Z80 CPU 정보

핀 배치도

  • Z80 CPU의 40개 핀에 대한 배치도 제시

문서

  • Z80 사용 설명서 (Zilog, Mostek 버전)
  • Zilog 데이터 북
  • Z80에 대한 모든 정보
  • 문서화되지 않은 명령어
  • 명령어 테이블 및 타이밍

Z80 개발에 대한 구술 역사

  • Z80 마이크로프로세서 개발 및 회사 설립에 대한 구술 역사 패널
  • M. Shima의 마이크로프로세서 설계 해설

Z80 특허

  • 입력 전압 스파이크 보호에 대한 특허 (US4605980, 만료됨)
  • 리셋 회로에 대한 특허 (US4486827A, 만료됨)
  • 기타 특허 (US4332008A, 만료됨)

Z80 다이 사진

  • 다이 사진 읽는 법
  • 다양한 Z80 버전 및 클론 칩들의 다이 사진 (Zilog, Nintendo, Mostek, National Semiconductor, Soviet 등)

Z80 역설계

  • Z80 명령 레지스터 해독
  • Z80 데이터 및 주소 버스 게이트의 3상 동작
  • Z80의 (비)문서화된 동작
  • Z80 마이크로프로세서의 명령어 디코딩 PLA
  • Z80의 데이터 핀이 뒤섞여 있는 이유
  • Z80 레지스터의 구현 방식
  • Z80의 16비트 증감 회로 역설계
  • Z80의 4비트 ALU
  • XOR 게이트 및 흥미로운 두 가지 게이트의 실리콘 설명
  • WZ (MEMPTR) 레지스터 - Z80의 난해한 레지스터

기존 Z80 구현체

  • TV80 (Verilog) - Guy Hutchison 버전
  • TV80 (Verilog) - Obijuan 버전
  • A-Z80 (Verilog)
  • Z80 네트리스트 레벨 에뮬레이터 (Z80Explorer)

Tiny Tapeout 소개

  • Tiny Tapeout은 디지털 설계를 실제 칩으로 제조하는 것을 더 쉽고 저렴하게 만드는 것을 목표로 하는 교육 프로젝트
  • 자세한 내용 및 시작 방법은 https://tinytapeout.com 참조

관련 리소스

  • FAQ
  • 디지털 설계 강의
  • 반도체 동작 원리 학습
  • 커뮤니티 참여
  • 로컬에서 설계 구축

GN⁺의 의견

  • Z80은 8비트 CPU의 역사에서 큰 역할을 했던 프로세서로, FOSS 버전 개발은 의미있는 시도임
  • 특히 Skywater 130nm PDK를 사용해 실제 실리콘으로 제작하는 것은 오픈소스 하드웨어 생태계 발전에 기여할 수 있음
  • 다만 Z80의 명령어셋이 现代的인 관점에서 다소 구식이며, 실용성 측면에서는 의문
  • 레트로 컴퓨팅이나 교육용으로는 가치가 있겠지만, 상용 제품에 사용되기는 어려울 것으로 보임
  • 역설계를 통해 Z80의 설계 디테일을 파악하는 것은 프로세서 아키텍처를 학습하는데 매우 유익할 것
  • FPGA 등을 통해 쉽게 에뮬레이션 할 수 있는 Verilog 코어들이 잘 준비되어 있어, 접근성이 높음
  • RISC-V, OpenPOWER 등 최신 오픈소스 프로세서들과의 비교 분석도 흥미로운 연구 주제가 될 수 있을 것
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neo 3달전  [-]
Hacker News 의견

  • Tiny Tapeout이 메이커와 학생들에게 저렴한 가격에 자신만의 칩 설계를 실현할 수 있게 해준 것이 놀라움

  • 130nm 공정으로는 차세대 Intel CPU를 설계할 수는 없겠지만, Z80이 0.064 mm2에 들어간다는 것 자체가 대단함

  • 공식 칩 생산이 중단되는 상황에서 대안이 생겨난 것은 기쁜 일임

  • 금으로 도금된 커버와 화려한 자주색 세라믹 패키지를 갖고 싶어 함

  • Z80의 라이벌인 6502와 그 파생 제품들은 원래 제작자 중 한 명에 의해 여전히 생산되고 있음

  • Z80은 ZX 스펙트럼의 CPU였음

  • 원본 Z80과의 호환성에 대한 의문

    • Z80은 문서화되지 않은 명령어와 "트랩 게이트"가 있었는데, 이는 일부 명령어 시퀀스에 영향을 미칠 수 있었음
    • 이는 Z80과 클론을 구별하기 위한 것이었음

  • 회로 레이아웃이 일반적인 다이 사진에서 볼 수 있는 커스텀 레이아웃이 아니라 균일한 게이트 어레이처럼 보임

  • "마지막 구매" 기회로 Z80 칩에 전 재산을 쏟아부은 것이 후회됨 (농담)

  • Z80의 4비트 ALU(8비트 연산 시 2개 사용)가 주요 병목으로 여겨지는지, 이후 확장을 통해 고비트 정수 연산이 추가되었는지 궁금함

  • 오픈 소스 버전의 칩이 새로운 기능과 변종을 가능하게 할지 궁금함

  • (초기 efabless.com 팀에 있었던 사람의 코멘트) 오픈 소스 EDA가 멋져 보임

  • Z80이 출시된 지 50년이나 되었다는 사실에 놀라움

  • 시중에 넘쳐나는 중고 Z80 칩과 가격 경쟁력 면에서 어떨지 궁금해 함

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