22歲小伙在自家車(chē)庫做出芯片全流程，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 歲的美國新澤西小伙 Sam Zeloof，宣布自己獨立完成了一顆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)現加法器功能。
Zeloof 用到了一系列回收的半導體設備，他將硅晶圓切薄，用紫外線(xiàn)對其進(jìn)行顯微設計圖案化，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備測試芯片。Z2是在 10 微米制程上集成了1200個(gè)晶體管。盡管制程遠落后于英特爾，但Zeloof 開(kāi)玩笑道，第二個(gè)芯片的晶體管數量是第一個(gè)的200倍，已經(jīng)遠超“摩爾定律”。
Zeloof 現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，用于計算器和其他商用機器。12 月，他開(kāi)始研究可以執行簡(jiǎn)單加法的電路設計。
在 Zeloof 的車(chē)庫外，新冠疫情引發(fā)了全球半導體短缺，從汽車(chē)到游戲機的產(chǎn)品供應陷入困境。經(jīng)過(guò)數十年的離岸外包之后，目前美國正在重塑自己的芯片制造業(yè)。
車(chē)庫制造的芯片不會(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)有數百萬(wàn)美元的預算，愛(ài)好者同樣可以接觸到芯片制造過(guò)程?！靶酒哌M(jìn)入門(mén)檻會(huì )讓你極度厭惡風(fēng)險，這對創(chuàng )新不利?！盳eloof 說(shuō)。
2018年，高中三年級時(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(zhù)手復制 Ellsworth 的項目，并采取他認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現在是一家名為 Tilt Five 的增強現實(shí)初創(chuàng )公司的首席執行官，她稱(chēng)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?！?/span>
計算機芯片制造有時(shí)被描述為世界上最困難和最精確的制造過(guò)程。當 Zeloof 開(kāi)始在博客上介紹他的項目目標時(shí)，一些行業(yè)專(zhuān)家通過(guò)電子郵件告訴他這是不可能的?！袄蠈?shí)說(shuō)，這樣做的原因是因為我認為這很有趣，不過(guò)當我聽(tīng)到這件事不可能時(shí)，我確實(shí)更加小心謹慎了?！?/span>
Zeloof 的家人表示支持，但也很謹慎。他的父親請一位他認識的半導體工程師提供一些安全建議。這位在半導體公司工作40年，如今是OLED制造相關(guān)的工程師Mark Rothman表示：“我的第一反應是這不可能，這只是一個(gè)車(chē)庫?！倍吹絑eloof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 的項目涉及歷史和工程?，F代芯片制造在其昂貴的潔凈間中，設備高達數十億美元。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(zhuān)利和教科書(shū)，當時(shí)仙童半導體等先驅公司的工程師僅在普通工作臺上制造芯片?！八麄儺斈晔褂昧?X-Acto 刀片、膠帶以及燒杯，而不是這些大型設備?！盳eloof說(shuō)。
Zeloof 還必須為他的實(shí)驗室配備老式設備。在 eBay 和其他拍賣(mài)網(wǎng)站上，他發(fā)現了 1970 年代和 80 年代的廉價(jià)設備，這些設備曾經(jīng)屬于已關(guān)閉的加州科技公司。盡管許多設備需要修理，但舊機器比現代實(shí)驗室機器更容易修理。Zeloof 最好的發(fā)現之一是一臺破損的電子顯微鏡，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(chǎng)中一樣，他想使用一種稱(chēng)為光刻的工藝將他的微觀(guān)細節設計轉移到他的設備上。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備在MASK層進(jìn)行刻錄。光刻機價(jià)格昂貴（高達 1.5 億美元），因此 Zeloof 在亞馬遜上購買(mǎi)了一臺經(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。它將他的設計以微小的規模投射到硅晶片上，Zeloof 用對紫外線(xiàn)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，當時(shí)一位代課老師指導學(xué)生做功課。Zeloof非常喜歡Grateful Dead樂(lè )隊，所以他的芯片上都有那只跳舞的小熊，用來(lái)表示對Grateful Dead的熱愛(ài)。

Z1 使用的晶體管被Zeloof 稱(chēng)為“1970 年代的產(chǎn)物”，其特征線(xiàn)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)始在卡內基梅隆大學(xué)學(xué)習電氣工程，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程，但大學(xué)仍不允許其在宿舍里使用 X 光機。不過(guò)他在家中升級了他的設置，為他的第二個(gè)芯片 Z2 做準備。它使用一種更快的開(kāi)關(guān)晶體管設計，這種設計基于一種稱(chēng)為多晶硅原材料，這種芯片在 1970 年代占據主導地位。 Zeloof 在一個(gè)自制的小型轉盤(pán)上以每分鐘 4,000 轉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)單獨的芯片，并在其上仔細涂上感光材料，然后利用自己的光刻機進(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，以烘烤磷原子調整其導電性。然后分別進(jìn)行三輪光刻，包括紫外線(xiàn)刻蝕等。今天的商業(yè)晶圓廠(chǎng)以大致相似的方式生產(chǎn)芯片，使用一系列步驟在設計的不同部分逐漸添加和移除材料。這些芯片要復雜得多，有數十億個(gè)晶體管，這些步驟是由機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體分析儀上進(jìn)行測試，出現的電流-電壓曲線(xiàn)意味著(zhù)芯片可以work?！斑@條曲線(xiàn)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，現在的這個(gè)反應就好像生命的跡象一樣?！?/span>
芯片制作成功后是如何慶祝的？“發(fā)推！”Zeloof 說(shuō)。他的項目贏(yíng)得了眾多 Twitter的關(guān)注以及數百萬(wàn)YouTube 播放量，甚至 1970 年代的半導體行業(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 芯片制造在現代科技生態(tài)中的作用。在許多方面，DIY 實(shí)驗從未如此強大：機器人設備和 3D 打印機很容易買(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?！暗@些芯片仍然是在某些大工廠(chǎng)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∫幠＿\營(yíng)觸手可及，對于某些問(wèn)題，我認為這很有意義?！盓llsworth 表示，被領(lǐng)先晶圓廠(chǎng)視為過(guò)時(shí)的芯片加工技術(shù)仍然對工程師有用。
Zeloof 最近升級了他的光刻機，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?，F在，他正在考慮可以實(shí)現英特爾4004的芯片功能?！拔蚁脒M(jìn)一步推動(dòng)車(chē)庫芯片文化，讓人們對在家中制造芯片感興趣起來(lái)?！彼硎?。
*來(lái)源：編譯自wired