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잡담

2023.01.27 22:18

FM음원 구조분석 관심있으신 분 계신가요?

이카무스메 https://gigglehd.com/gg/13658312

조회 수 1011 댓글 32

붉은색 다각형 안의 회로를 전부 분석하는데 지난 9월부터 네달가량 걸렸습니다. 길지도 않고 짧지도 않네요.

이렇게, 칩 전체의 회로도를 작성한 후 베릴로그로 옮깁니다.

FM음원... DX7이라고 야마하 신디사이저에서 시작해서 80-90년대 많이 썼던 찡찡거리는 소리나는 칩입니다. 버블보블 게임 BGM이 되게 유명한데, 그것도 FM음원을 사용했지요.

제가 그 중에서 YM2151(OPM) 칩 전체를 이번에 리버스 엔지니어링하게 되었습니다. 이유는 기존 오픈소스 HDL 코어의 라이센스가 마음에 들지 않아서였어요.

저는 요새 FPGA에 아케이드 게임을 원칩화해서 넣는 일을 취미로 하고 있는데, 기존에 있는 YM2151 HDL코어의 라이센스가 GPL라이센스였습니다. 근데 제가 GPL라이센스를 별로 안 좋아합니다. 제 코드를 공개하지 않는 것도 아닌데, 클로즈드 베타 중에도 일단 뭘 배포만 하면 코드 공개 의무가 붙는다는 건 굉장히 너무한 것 같았거든요.

그래서 "꼬우면 니가 직접 해라" 정신으로 직접 만들었습니다. 게다가 기존 코어는 계측치와 남의 리버싱 데이터를 기반으로 제작한 건데, 저는 처음부터 끝까지 실리콘만 보고 만들었다는 큰 차이도 있고요.

원래 YM3812(OPL2), YM3438(OPN2C), YM2413(OPLL)등의 다른 시리즈의 칩들을 리버싱하고 싶었으나, 가장 근본이 되는 YM2151이라는 칩을 먼저 리버싱해 보았습니다. 근본이 되는 이유는, 이게 맨 처음 나온 FM음원의 원칩 설계여서 그렇습니다.

근데요, 인터넷에 FM음원의 원리에 대해 아주 많은 설명이 있고, 오픈소스 소스들도 많지만 정말 실제로 칩 안에서 무슨 일이 벌어지는지에 대해서는 잘 정돈된 설명이 전무했습니다. 거의 10년에 걸친 외국 포럼의 토론글, 소스에 적혀있는 파편화된 설명과 회로들, 아무런 지식도 없이 이것만 가지고 원리를 이해하긴 너무 어려웠습니다.

그래서 리버싱도 거의 다 끝나가는 이 시점에, 큰맘먹고 야마하 FM음원칩이 기본적으로 어떤 구조를 가지고 동작하나 글을 한번 써 보려고 합니다. 이해하기 위해서는 기초적인 논리회로 지식이 필요하나(게이트, 플립플롭, 가산기정도) 최대한 쉽게 써 보려고 합니다. 평소에 FM음원 좋아하는데 원리를 알고싶었다 하시는 분들이 계신지 궁금합니다.

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Comments '32'

?
laphir 2023.01.27 22:29

선생님, fm음원이 아니라 도대체 칩을 어떻게 리버싱해서 소프트웨어로 에뮬레이션 하는지가 궁금합니다.
?
이카무스메 2023.01.27 22:35

700nm공정까지는 편광 광학현미경으로 보면 뭔가 보여요. 트랜지스터랑 저항같은걸 식별할 수 있다면 디지털 회로를 이루는 구성 요소들을 그릴 수가 있어요. 그걸 전부 보고 회로도를 그립니다. 회로도가 있으면 동작을 분석할 수 있죠. 그걸 C든 자바든 아니면 하드웨어 기술 언어든 같은 동작을 하게 짜면 돼요.

말은 쉬운데, 트랜지스터 종류에 따라 난이도도 천차만별이고, 90년대 초중반의 구공정 칩까지만 유효해요. 그 이후부터는 트랜지스터가 작아지고, 배선 층이 점점 많아지고(물리적으로 트랜지스터가 안 보입니다) 컴퓨터가 설계에 끼여들기 때문에 회로의 분석이 아주 까다로워집니다. 사람이 설계했다면 설계자의 의도를 파악하기 쉽지만 컴퓨터가 설계를 최적화했다면 컴퓨터가 왜 그딴 짓을 했는지 따라가기 아주 어렵습니다.
?
laphir 2023.01.27 22:37

아니 선생님, 저는 그냥 “우와…” 밖에 말이 안나오는데요. 대단하십니다
T.Volt_45 Into the Unknown, Show Yourself !! // ThunderVolt_45 2023.01.27 22:30

그런 고급스러운 정보는 언제나 환영입니다!
근데 도대체 칩을 어떻게 리버싱해서 소프트웨어로 에뮬레이션 하는지도 궁금합니다...
가우스군 푸른 풍경속으로..... 2023.01.27 22:32

리버싱 엔지니어링이 이젠 취미로 해 볼 만한 세상이 왔군요 ㄷㄷ
?
uss0504 2023.01.27 22:32

무슨 이야기인진 알겠지만 이걸 하려는것 자체가 굇수에요...
?
고토_히토리 봇치 더 락! 2기 기원 / 2700X + 6700 XT Owner 2023.01.27 22:38

진정한 능력자... 대단하십니다 ㄷㄷ
호시노이치카 자, 부탁드립니다! / 블로그 https://randomstar.blog 2023.01.27 22:45

진정한 능력자이시군요.
사실 전부터 느껴왔었던 거지만, 보면 볼수록 대단하다는 말밖에 안 나옵니다.
쿤달리니 2023.01.27 22:55

완벽하게 이해했어요..!
다음 강의까지 게이트, 플립플롭, 가산기 공부해오면 되는거죠?
?
이카무스메 2023.01.27 23:00

오 읽어주시면 감사하죠
가네샤 https://924717.tistory.com/ 2023.01.27 23:35

와....오실때마다 엄청난걸 들고 오시는군요 ㄷㄷ
?
므시므시 닉네임만 이렇지 MSI와 별다른 관계는 없습니다(핳핳) 2023.01.27 23:37

이런 정보는... 귀하군요....
기대하고 있겠습니다!
Induky 자타공인 암드사랑 정회원입니다 (_ _) 2023.01.27 23:37

오실때마다 놀라운걸 가져오시네요 ㄷㄷㄷ
Normie 2023.01.28 00:19

FM 라디오 같은데 쓰이는 변조기를 생각했는데 다른 물건인가 보네요. 흔히 8비트 음악이라 하는 고전게임에서 뿅뿅거리는것 같은 소리를 만들어내는 역할을 하는 것인가요...
픔스 2018년도 비봉클럽의 해 2023.01.28 00:19

평소 YM2608(OPNA)에 관심 있게 살펴보고는 했는데, 이걸 리버스 엔지니어링 시도할 생각은 사실 아무도 없었을 겁니다. 매번 대단하시네요.
qua1121 대학원 후 스타트업의 길을 걷습니다. 날 죽여줘... 2023.01.28 00:24

귀한 분이시다.
霊夢 레무/연약한 대학생 Nikon FE2 35/2 1480일차 2023.01.28 00:42

와 20세기 청계천의 기운이 느껴져요
천군낙원 2023.01.28 01:45

어..음... 보물지도 같은 건가요.
이젠 놀라다못해 작성자 닉네임보면 끄덕하게 만들어지는게 무섭습니다.
이유제 2023.01.28 03:13

아니 이게왜 취미....
https://youtu.be/n5tGhY5t5yI
유지니1203 2023.01.28 10:24

우와...능력자...대단하십니다 ㄷㄷㄷ
기대됩니다!!
캐츄미 5700g, 5800x, 5950x 2023.01.28 10:32

옛날 애드립 같은건가요? 기대됩니다 ㅎㅎ
AZUSA збройовий завод 2023.01.28 10:36

전부 이해했어(이해못했음)
린네 Someday out of the blue 2023.01.28 10:53

와... 대단하십니다. 어떻게든 컴공과 들어가려고 하는중인데(그래서 재수행 당첨) 언젠가 들어가서 기초 배우면 꼭 이해하려고 노력해보겠습니다ㄷㄷㄷㄷㄷ...
K_mount 고양이 확대중,. 2023.01.28 12:54

(뭔지 모르겠으니 그냥 가만히 있어야겟다)
?
렉사 2023.01.28 13:27

와......감탄만 나오네요.
?
waterblue 2023.01.28 14:10

대단합니다. 질문이 몇개 있습니다.
혹시 die 몇층인가? 사진은 one metal one poly 처럼 보이기도 하는데요?
schematic는 무슨 툴로 작업하셨는지요? 그리고 die photo도 무슨 툴로 작업하시는지요?
앞으로 강좌 잘 부탁드립니다.^^
?
이카무스메 2023.01.28 23:50

아주 정확하십니다. 메탈 1층 폴리 1층입니다. 야마하가 이상하게 90년대 초반까지 메탈 2층을 잘 안 썼습니다. 아마 광학현미경으로 작업할 수 있는 최고 범위는 600배로 확대해서 메탈 3층 폴리 1층까지같습니다.
대부분의 80-90년대 초 가성비 공정이었던 칩들이 메탈 2층 폴리 1층인데, 메탈이 너무 빽빽해서 불산으로 에칭해서 폴리실리콘 모양을 봐야 하는 경우를 제외하고는 무난하게 decap만으로 리버싱 가능한 것 같습니다.

회로도는 Kicad 6.0에 커스텀 심볼을 만들어서 사용중입니다. Netlist랑 연계하여 타 툴을 사용하고 있지는 않습니다.

다이샷 위에 주석 달고 게이트 표시하는 건 잉크스케이프를 사용하고 있습니다. 아주 편리하네요.
?
waterblue 2023.01.30 13:59

친절한 답변 감사드립니다.. ^^ 언젠가 저도 한번 시도해보고 싶네요..~ㅋㅋ
Adora27 2023.01.28 15:21

하드웨어를 좋아하시는 분들은 대부분 관심을 가질 주제같아요. 평소 글도 잘보고 있었는데 강의글은 오랜만인거같네요 기대됩니다!
veritas ლ(╹◡╹ლ) 2023.01.28 15:49

칩 내부 트랜지스터급 레벨에서 YM3812를 통으로 에뮬레이션할 수 있는 그날이 오..겠죠?
?
염발 2023.01.28 17:54

이.. 이게 뭐지..?
?
볶은완두콩 2023.01.28 19:42

굇수시군요

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