22歲小伙在自家車庫做出芯片全流程，目前正在開發(fā)加法處理器

來源：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個晶體管的芯片，日前他又表示自己正在開發(fā)第三代芯片，可以實現加法器功能。
Zeloof 用到了一系列回收的半導體設備，他將硅晶圓切薄，用紫外線對其進行顯微設計圖案化，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程。有趣的是，他家距離全球首個制造出晶體管的貝爾實驗室，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個晶體管。盡管制程遠落后于英特爾，但Zeloof 開玩笑道，第二個芯片的晶體管數量是第一個的200倍，已經遠超“摩爾定律”。
Zeloof 現在希望能夠趕上英特爾 1971 年推出的 4004 芯片，這是第一個商用微處理器，它有 2300 個晶體管，用于計算器和其他商用機器。12 月，他開始研究可以執(zhí)行簡單加法的電路設計。
在 Zeloof 的車庫外，新冠疫情引發(fā)了全球半導體短缺，從汽車到游戲機的產品供應陷入困境。經過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)。
車庫制造的芯片不會為你的 PlayStation 提供動力，但 Zeloof 表示，他的這一愛好讓他相信，即便沒有數百萬美元的預算，愛好者同樣可以接觸到芯片制造過程?！靶酒哌M入門檻會讓你極度厭惡風險，這對創(chuàng)新不利?！盳eloof 說。
2018年，高中三年級時，Zeloof 開始制作自己的芯片。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間。Ellsworth現在是一家名為 Tilt Five 的增強現實初創(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)都是從一個不起眼的地方開始，你可以自己做，這具有巨大的價值。”
計算機芯片制造有時被描述為世界上最困難和最精確的制造過程。當 Zeloof 開始在博客上介紹他的項目目標時，一些行業(yè)專家通過電子郵件告訴他這是不可能的?！袄蠈嵳f，這樣做的原因是因為我認為這很有趣，不過當我聽到這件事不可能時，我確實更加小心謹慎了。”
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制造相關的工程師Mark Rothman表示：“我的第一反應是這不可能，這只是一個車庫。”而看到Zeloof的進步后，Rothman頗感震驚，并表示“他做了我從未想過有人會做的事情?！?/span>
Zeloof 的項目涉及歷史和工程。現代芯片制造在其昂貴的潔凈間中，設備高達數十億美元。Zeloof 無法匹配這些技術，因此他閱讀了 1960 年代和 70 年代的專利和教科書，當時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。”Zeloof說。
Zeloof 還必須為他的實驗室配備老式設備。在 eBay 和其他拍賣網站上，他發(fā)現了 1970 年代和 80 年代的廉價設備，這些設備曾經屬于已關閉的加州科技公司。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 年代初價值 250,000 美元，他只花了 1,000 美元購買及修理，用來檢查芯片的缺陷。
有時 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節(jié)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層進行刻錄。光刻機價格昂貴（高達 1.5 億美元），因此 Zeloof 在亞馬遜上購買了一臺經過改進的會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(guī)模投射到硅晶片上，Zeloof 用對紫外線敏感的材料涂敷。
2018 年，Zeloof開發(fā)了一個帶有六個晶體管的簡單放大器，當時一位代課老師指導學生做功課。Zeloof非常喜歡Grateful Dead樂隊，所以他的芯片上都有那只跳舞的小熊，用來表示對Grateful Dead的熱愛。

Z1 使用的晶體管被Zeloof 稱為“1970 年代的產物”，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電路板上工作，該電路板會閃爍一個 LED 和一個吉他失真踏板。
2018年末，Zeloof 開始在卡內基梅隆大學學習電氣工程，同時在他的宿舍里進行開發(fā)，盡管他表示遵守安全規(guī)程，但大學仍不允許其在宿舍里使用 X 光機。不過他在家中升級了他的設置，為他的第二個芯片 Z2 做準備。它使用一種更快的開關晶體管設計，這種設計基于一種稱為多晶硅原材料，這種芯片在 1970 年代占據主導地位。 Zeloof 在一個自制的小型轉盤上以每分鐘 4,000 轉的速度手工切割的半英寸見方的多晶硅，每一個都成為一個單獨的芯片，并在其上仔細涂上感光材料，然后利用自己的光刻機進行開發(fā)。一個由 12 個電路組成的網格，每個電路有 100 個晶體管（和一只跳舞的熊），總共有 1,200 個晶體管。
然后用酸蝕刻每個芯片，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行測試，出現的電流-電壓曲線意味著芯片可以work?！斑@條曲線令人驚嘆，”Zeloof 說，“在你整天把這些小碎片浸入裝有化學品的燒杯中后，現在的這個反應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。他的項目贏得了眾多 Twitter的關注以及數百萬YouTube 播放量，甚至 1970 年代的半導體行業(yè)資深人士都關注了這件事，并向他提供了一些實用技巧。
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 實驗從未如此強大：機器人設備和 3D 打印機很容易買到，Arduino 微控制器和 Raspberry Pi 等創(chuàng)客友好型硬件也使得硬件開發(fā)更加容易?！暗@些芯片仍然是在某些大工廠生產的，”Zeloof 說。“在芯片制造方面的DIY進展非常受限?！?/span>
Ellsworth 的自制晶體管啟發(fā)了 Zeloof，高質量的動手打造芯片制造可能很有價值。“我們今天擁有的工具可以讓小規(guī)模運營觸手可及，對于某些問題，我認為這很有意義。”Ellsworth 表示，被領先晶圓廠視為過時的芯片加工技術仍然對工程師有用。
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。現在，他正在考慮可以實現英特爾4004的芯片功能?！拔蚁脒M一步推動車庫芯片文化，讓人們對在家中制造芯片感興趣起來。”他表示。
*來源：編譯自wired