DIY RISC-V ultracluster

TL;DR：一位硬件爱好者用8192个RISC-V微控制器（CH570）打造了一个浸没式冷却的超级集群，目标是最终达到65536核心，过程中克服了时钟、SPI信号和产能瓶颈。 ## 从疯狂想法到实际规划 视频作者之前做过一个M.2集群，得到了Altium的赞助和预算支持，于是决定做一个规模完全不同的集群。灵感来自WCH的CH570微控制器：13美分一颗，运行在100MHz，带有12KB SRAM、乘法器、原生USB和无线电。作者最初想实现每个像素对应一个MCU——即64×64=4096像素的QVGA分辨率，需要65536个MCU。65536 × 13美分 ≈ 8500美元，加上WCH CTO Patrick免费提供了10000颗MCU，这个计划似乎可行。 但65536这个数字带来严重问题：功耗。每个MCU消耗约10mA @ 3.3V，总计650A、2kW。欧洲插座最大功率约3kW，99.9%电能变成热量。作者决定采用浸没式冷却，并用半米直径的亚克力容器容纳“刀片”板卡。 ## 刀片设计：1K核心模块 每个刀片包含32行×32列 = 1024个小MCU，以及32个行控制器（更大的带FPU的核心）。作者选择SPI作为总线，每路SPI挂32个MCU，每个行控制器提供32个独立片选引脚。为了信号完整性，使用了六层PCB：第二层和第五层为连续地平面，信号线夹在内层并用地线隔离。电源分配使用底层（更厚铜箔）通过铜区域给每列的LED和MCU供电。 每个MCU还配有一个1×1mm的共阳极RGB LED（红、绿、蓝三个引脚，MCU作地线）。时钟源本想省去晶振，由行控制器的PWM提供32MHz时钟，但发现时钟信号严重失真——因为CH570的时钟引脚最大额定电压仅1.4V，且没有旁路模式选项。被迫在每个MCU旁增加晶振封装，导致重新设计测试板。 ## 错误与修复 ### 时钟与晶振 最初测试时部分MCU拒绝启动，触摸MCU能启动。检查发现外部时钟信号被切得支离破碎，CH570时钟引脚耐压不够。被迫改为每个MCU使用独立晶振，重新设计PCB。 ### SPI通信错误 首次完整刀片测试时，发现层0与层1之间的SPI无法通信。用示波器看到Mosi信号在片选激活后电压减半——因为MCU之间有50Ω电阻，两个MCU同时驱动总线。最终发现是Mosi和Miso接反了。由于线上串联了电阻，可以用飞线修复。修复后SPI最高稳定工作在约15Mbps，7.5Mbps时有偶发错误。 ## 编程自动化 为了给成千上万个MCU编程，作者使用了Bumbo打印机（无USB，通过Home Assistant控制）改装成龙门编程机器。Y轴移动弹簧针臂接触背面的编程焊盘，Python脚本调用OpenOCD作为子进程逐个上传固件，并扫描输出来确认成功。 ## 底板与最终组装 最初设计64刀片（65536核心），但制造商无法处理每板超10000个过孔和5000个元器件，只好将刀片拆分为两块并排放置。接着制作连接16个刀片的底板（128刀片版本稍后扩展）。底板供电使用XT60连接器，并从海盗船3kW PC电源取电，通过Murata DC-DC降压转换器（95%效率，30A能力）提供3.3V。作者共做了20个这样的转换器。 最终组装了16个刀片（16284核心的初始版本），底板使用了0.1mm线宽/间距的制造工艺。一个小失误：编程焊盘放在了四级MCU下面，于是通过QFN底部裸露焊盘飞线解决。 ## Altium工具的优势 作者强调Altium Designer的几个关键功能： - **多通道设计**：使用`repeat`关键词避免手动复制子图纸。 - **实时DRC规则检查**：自动高亮违反规则。 - **自动阻抗匹配**：设置层叠后自动计算走线宽度。 - **极坐标网格**、**最大额定电流检查**、**按属性过滤**等。 这些工具对于管理如此复杂的项目（每板数千元件）至关重要。 --- Source: [YouTube视频 DIY RISC-V ultracluster](https://youtube.com/watch?v=qMR3IXF2sWw)