22歲小伙在自家車(chē)庫(kù)做出芯片全流程，目前正在開(kāi)發(fā)加法處理器

來(lái)源：電子工程世界

你是否還記得2021年8月，那位22 歲的美國(guó)新澤西小伙 Sam Zeloof，宣布自己獨(dú)立完成了一顆1200個(gè)晶體管的芯片，日前他又表示自己正在開(kāi)發(fā)第三代芯片，可以實(shí)現(xiàn)加法器功能。
Zeloof 用到了一系列回收的半導(dǎo)體設(shè)備，他將硅晶圓切薄，用紫外線對(duì)其進(jìn)行顯微設(shè)計(jì)圖案化，然后將它們浸泡在酸中，并在 YouTube 和他的博客上記錄了這一過(guò)程。有趣的是，他家距離全球首個(gè)制造出晶體管的貝爾實(shí)驗(yàn)室，僅30英里的路程。
2018 年，高三的他自己制作了第一代芯片 Z1 只包含 6 個(gè)晶體管，屬于一塊純粹的制程與設(shè)備測(cè)試芯片。Z2是在 10 微米制程上集成了1200個(gè)晶體管。盡管制程遠(yuǎn)落后于英特爾，但Zeloof 開(kāi)玩笑道，第二個(gè)芯片的晶體管數(shù)量是第一個(gè)的200倍，已經(jīng)遠(yuǎn)超“摩爾定律”。
Zeloof 現(xiàn)在希望能夠趕上英特爾 1971 年推出的 4004 芯片，這是第一個(gè)商用微處理器，它有 2300 個(gè)晶體管，用于計(jì)算器和其他商用機(jī)器。12 月，他開(kāi)始研究可以執(zhí)行簡(jiǎn)單加法的電路設(shè)計(jì)。
在 Zeloof 的車(chē)庫(kù)外，新冠疫情引發(fā)了全球半導(dǎo)體短缺，從汽車(chē)到游戲機(jī)的產(chǎn)品供應(yīng)陷入困境。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的離岸外包之后，目前美國(guó)正在重塑自己的芯片制造業(yè)。
車(chē)庫(kù)制造的芯片不會(huì)為你的 PlayStation 提供動(dòng)力，但 Zeloof 表示，他的這一愛(ài)好讓他相信，即便沒(méi)有數(shù)百萬(wàn)美元的預(yù)算，愛(ài)好者同樣可以接觸到芯片制造過(guò)程。“芯片高進(jìn)入門(mén)檻會(huì)讓你極度厭惡風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)創(chuàng)新不利?！盳eloof 說(shuō)。
2018年，高中三年級(jí)時(shí)，Zeloof 開(kāi)始制作自己的芯片。發(fā)明家和企業(yè)家Jeri Ellsworth 的 YouTube 視頻給他留下了深刻的印象，她在視頻中制作了拇指大小的晶體管，其中包括用乙烯切割模板。Zeloof 著手復(fù)制 Ellsworth 的項(xiàng)目，并采取他認(rèn)為合乎邏輯的下一步：從孤立的晶體管到集成電路，歷史上大約需要十年的時(shí)間。Ellsworth現(xiàn)在是一家名為 Tilt Five 的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)初創(chuàng)公司的首席執(zhí)行官，她稱贊Zeloof道：“他把它（DIY芯片）向前推進(jìn)了一大步。提醒世界，這些看似遙不可及的行業(yè)都是從一個(gè)不起眼的地方開(kāi)始，你可以自己做，這具有巨大的價(jià)值。”
計(jì)算機(jī)芯片制造有時(shí)被描述為世界上最困難和最精確的制造過(guò)程。當(dāng) Zeloof 開(kāi)始在博客上介紹他的項(xiàng)目目標(biāo)時(shí)，一些行業(yè)專家通過(guò)電子郵件告訴他這是不可能的?！袄蠈?shí)說(shuō)，這樣做的原因是因?yàn)槲艺J(rèn)為這很有趣，不過(guò)當(dāng)我聽(tīng)到這件事不可能時(shí)，我確實(shí)更加小心謹(jǐn)慎了?！?/span>
Zeloof 的家人表示支持，但也很謹(jǐn)慎。他的父親請(qǐng)一位他認(rèn)識(shí)的半導(dǎo)體工程師提供一些安全建議。這位在半導(dǎo)體公司工作40年，如今是OLED制造相關(guān)的工程師Mark Rothman表示：“我的第一反應(yīng)是這不可能，這只是一個(gè)車(chē)庫(kù)。”而看到Zeloof的進(jìn)步后，Rothman頗感震驚，并表示“他做了我從未想過(guò)有人會(huì)做的事情?！?/span>
Zeloof 的項(xiàng)目涉及歷史和工程?，F(xiàn)代芯片制造在其昂貴的潔凈間中，設(shè)備高達(dá)數(shù)十億美元。Zeloof 無(wú)法匹配這些技術(shù)，因此他閱讀了 1960 年代和 70 年代的專利和教科書(shū)，當(dāng)時(shí)仙童半導(dǎo)體等先驅(qū)公司的工程師僅在普通工作臺(tái)上制造芯片?！八麄儺?dāng)年使用了 X-Acto 刀片、膠帶以及燒杯，而不是這些大型設(shè)備?！盳eloof說(shuō)。
Zeloof 還必須為他的實(shí)驗(yàn)室配備老式設(shè)備。在 eBay 和其他拍賣(mài)網(wǎng)站上，他發(fā)現(xiàn)了 1970 年代和 80 年代的廉價(jià)設(shè)備，這些設(shè)備曾經(jīng)屬于已關(guān)閉的加州科技公司。盡管許多設(shè)備需要修理，但舊機(jī)器比現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室機(jī)器更容易修理。Zeloof 最好的發(fā)現(xiàn)之一是一臺(tái)破損的電子顯微鏡，在 90 年代初價(jià)值 250,000 美元，他只花了 1,000 美元購(gòu)買(mǎi)及修理，用來(lái)檢查芯片的缺陷。
有時(shí) Zeloof 不得不即興發(fā)揮。就像在真正的芯片工廠中一樣，他想使用一種稱為光刻的工藝將他的微觀細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到他的設(shè)備上。它涉及將光敏材料涂在晶圓上，并使用像超精密投影儀這樣的設(shè)備在MASK層進(jìn)行刻錄。光刻機(jī)價(jià)格昂貴（高達(dá) 1.5 億美元），因此 Zeloof 在亞馬遜上購(gòu)買(mǎi)了一臺(tái)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的會(huì)議室投影儀固定在顯微鏡上，從而制造了自己的光刻機(jī)。它將他的設(shè)計(jì)以微小的規(guī)模投射到硅晶片上，Zeloof 用對(duì)紫外線敏感的材料涂敷。
2018 年，Zeloof開(kāi)發(fā)了一個(gè)帶有六個(gè)晶體管的簡(jiǎn)單放大器，當(dāng)時(shí)一位代課老師指導(dǎo)學(xué)生做功課。Zeloof非常喜歡Grateful Dead樂(lè)隊(duì)，所以他的芯片上都有那只跳舞的小熊，用來(lái)表示對(duì)Grateful Dead的熱愛(ài)。

Z1 使用的晶體管被Zeloof 稱為“1970 年代的產(chǎn)物”，其特征線寬為 175 微米，大約是頭發(fā)的寬度。他將這些芯片放在一個(gè)電路板上工作，該電路板會(huì)閃爍一個(gè) LED 和一個(gè)吉他失真踏板。
2018年末，Zeloof 開(kāi)始在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)學(xué)習(xí)電氣工程，同時(shí)在他的宿舍里進(jìn)行開(kāi)發(fā)，盡管他表示遵守安全規(guī)程，但大學(xué)仍不允許其在宿舍里使用 X 光機(jī)。不過(guò)他在家中升級(jí)了他的設(shè)置，為他的第二個(gè)芯片 Z2 做準(zhǔn)備。它使用一種更快的開(kāi)關(guān)晶體管設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)基于一種稱為多晶硅原材料，這種芯片在 1970 年代占據(jù)主導(dǎo)地位。 Zeloof 在一個(gè)自制的小型轉(zhuǎn)盤(pán)上以每分鐘 4,000 轉(zhuǎn)的速度手工切割的半英寸見(jiàn)方的多晶硅，每一個(gè)都成為一個(gè)單獨(dú)的芯片，并在其上仔細(xì)涂上感光材料，然后利用自己的光刻機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。一個(gè)由 12 個(gè)電路組成的網(wǎng)格，每個(gè)電路有 100 個(gè)晶體管（和一只跳舞的熊），總共有 1,200 個(gè)晶體管。
然后用酸蝕刻每個(gè)芯片，并在大約 1,000 攝氏度的爐子中烹煮，以烘烤磷原子調(diào)整其導(dǎo)電性。然后分別進(jìn)行三輪光刻，包括紫外線刻蝕等。今天的商業(yè)晶圓廠以大致相似的方式生產(chǎn)芯片，使用一系列步驟在設(shè)計(jì)的不同部分逐漸添加和移除材料。這些芯片要復(fù)雜得多，有數(shù)十億個(gè)晶體管，這些步驟是由機(jī)器而不是手工完成的。Zeloof 第二代芯片上的晶體管比第一代速度快大約 10 倍，并且具有小至 10 微米的尺寸。
8 月，Zeloof 將 Z2 連接到40多年壽命的惠普半導(dǎo)體分析儀上進(jìn)行測(cè)試，出現(xiàn)的電流-電壓曲線意味著芯片可以work?！斑@條曲線令人驚嘆，”Zeloof 說(shuō)，“在你整天把這些小碎片浸入裝有化學(xué)品的燒杯中后，現(xiàn)在的這個(gè)反應(yīng)就好像生命的跡象一樣。”
芯片制作成功后是如何慶祝的？“發(fā)推！”Zeloof 說(shuō)。他的項(xiàng)目贏得了眾多 Twitter的關(guān)注以及數(shù)百萬(wàn)YouTube 播放量，甚至 1970 年代的半導(dǎo)體行業(yè)資深人士都關(guān)注了這件事，并向他提供了一些實(shí)用技巧。
Zeloof 表示，他不確定今年春天畢業(yè)后想做什么，但他一直在思考 DIY 芯片制造在現(xiàn)代科技生態(tài)中的作用。在許多方面，DIY 實(shí)驗(yàn)從未如此強(qiáng)大：機(jī)器人設(shè)備和 3D 打印機(jī)很容易買(mǎi)到，Arduino 微控制器和 Raspberry Pi 等創(chuàng)客友好型硬件也使得硬件開(kāi)發(fā)更加容易。“但這些芯片仍然是在某些大工廠生產(chǎn)的，”Zeloof 說(shuō)?！霸谛酒圃旆矫娴腄IY進(jìn)展非常受限?！?/span>
Ellsworth 的自制晶體管啟發(fā)了 Zeloof，高質(zhì)量的動(dòng)手打造芯片制造可能很有價(jià)值?！拔覀兘裉鞊碛械墓ぞ呖梢宰屝∫?guī)模運(yùn)營(yíng)觸手可及，對(duì)于某些問(wèn)題，我認(rèn)為這很有意義?！盓llsworth 表示，被領(lǐng)先晶圓廠視為過(guò)時(shí)的芯片加工技術(shù)仍然對(duì)工程師有用。
Zeloof 最近升級(jí)了他的光刻機(jī)，可以打印小至約 0.3 微米或 300 納米的尺寸，這與 90 年代中期的商業(yè)化芯片的制程大致相當(dāng)?，F(xiàn)在，他正在考慮可以實(shí)現(xiàn)英特爾4004的芯片功能。“我想進(jìn)一步推動(dòng)車(chē)庫(kù)芯片文化，讓人們對(duì)在家中制造芯片感興趣起來(lái)?！彼硎尽?/span>
*來(lái)源：編譯自wired