순수 실리콘 데모 코딩: CPU도 메모리도 없이 4천 게이트만으로 구현

1 month ago 14

Tiny Tapeout 8 데모 대회에서 약 4천개의 논리 게이트만으로 VGA 그래픽과 1비트 오디오를 출력하는 두 가지 ASIC 데모를 제작
첫 번째 작품은 3D 체커보드, 별 배경, 스크롤 텍스트, 음악을 포함한 전통적 데모씬 스타일의 인트로로, CPU·RAM 없이 순수 상태기계로 구현
두 번째는 Nyan Cat 애니메이션으로, 640x480 VGA와 비디오 동기화된 오디오를 사용해 한 타일 내에 거의 모든 회로를 집적
모든 시각·음향 효과는 Verilog 기반 논리 회로로 직접 생성되며, 삼각파·펄스파 합성기, LFSR 노이즈, 시그마-델타 DAC 등 최소 자원으로 음악을 재현
Efabless의 파산으로 제조가 중단되었으나, 이후 칩이 복구되어 실제 하드웨어에서 완벽히 동작함이 확인됨

TT08 인트로 데모

배경 별 필드, 3D 체커보드, 파도치는 스크롤 텍스트와 그림자 효과를 포함한 그래픽 구성
- VGA 해상도 1220x480, 48MHz 클럭 사용
- Verilator 시뮬레이션으로 C++ 변환 후 SDL 창에 렌더링하여 영상 생성
플립플롭 293개, 총 3374 셀 사용으로 면적 한계에 근접
- 폰트 인코딩이 게이트 면적을 많이 차지해 색상값은 포기하고 대각선 스트라이프 패턴으로 대체
ROM 없이 데이터 인코딩을 위해 논리 게이트로 직접 패턴을 표현
- Yosys 합성 파이프라인이 truth table을 표준 셀로 변환
- 데이터 복잡도보다 주소에 따른 알고리듬적 단순성이 면적 절감에 유리
사인파 스크롤러는 테이블 없이 벡터 회전으로 구현
- Minsky의 symplectic integrator 방식으로 원형 궤적 생성
체커보드 평면 투영은 고정소수점 연산으로 구현
- recip16 모듈이 y좌표의 역수를 계산해 원근 변환 수행
- XOR 연산으로 색상 패턴 생성, 드럼 비트에 맞춰 평면 높이 변화

그림자 효과는 스크롤 텍스트를 평면 좌표계로 투영해 색상 비트를 쉬프트
별 배경(Starfield) 은 LFSR로 각 스캔라인별 난수 생성
- 프레임 카운터와 결합해 별의 위치·속도 결정, 스네어 드럼 타이밍에 맞춰 꼬리 길이 변화

ABACABAD 구조의 반복 패턴으로 논리 게이트 중복 최소화
세 개의 채널 구성
- 노이즈+지수 감쇠(스네어)
- 사각파 아르페지오(멜로디/코드)
- 삼각파+지수 감쇠(킥/베이스)
시그마-델타 DAC으로 오디오 출력
- PWM 대신 누산기 캐리 비트를 출력해 단순 구현
Crooner (C64 SID) 곡의 코드 진행을 차용
- 8음계 기반, 2옥타브 범위, 비트 단위 아르페지오
- 템포를 15·25틱으로 교차해 스윙 리듬 구현

Tiny Tapeout 8 마감 직전 제작, 640x480 VGA와 60Hz 동기 오디오 사용
- 원본 GIF에서 프레임·팔레트를 추출해 RGB222로 디더링 변환
- LFSR 기반 별 배경 재사용
음악 데이터는 MIDI 파일을 파싱해 8음계로 리맵
- 베이스/킥 채널과 멜로디 채널 두 개만 사용
- 각 프레임 시작 시(60Hz) 지수 감쇠 엔벨로프 적용
25% 듀티 사이클 펄스파로 멜로디 생성
- 옥타브별 상위 비트를 선택해 주파수 조정
- 저역 통과 필터 추가로 음색 조정

Tiny Tapeout 8은 2024년 9월 제조 착수 후 Efabless 파산으로 중단
- 2025년 하반기 새 운영팀이 칩을 회수해 배포
실제 칩 테스트에서 모든 디자인이 정상 동작
- Donut 데모만 클럭을 45MHz로 낮춰야 안정적
Nyan Cat 데모는 LCD와 CRT 모두에서 완벽히 재생
- Bitluni의 유튜브 라이브에서 시연됨