他22歲在家自造芯片，性能接近英特爾初代，連光刻機都有解決方案

十三 2022-01-30 18:18:27 來源：量子位

金磊 發自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

萬萬沒想到，造芯這件事，竟然還能如此“親民”：

在22歲的年紀，一個人竟能憑一己之力，在自家車庫里打造一塊芯片！

△ 圖源：WIRED

你沒聽錯，這就是一位名叫Sam Zeloof的美國小伙，硬生生給搞出來的事兒。

而且他在車庫里DIY的芯片，是連光刻機在內一系列設備都是親手改造的那種。

若是從工藝角度來講，就相當于英特爾第一款芯片“4004”的尺寸——10微米。

當然了，畢竟是靠自己一個人，在晶體管數量方面，Zeloof的芯片為1200個，而英特爾“4004”的則是2300。

不過Zeloof的工作還是得到非常高度的認可，這不《連線》（WIRED）雜志最近就評價道：

展示了小型芯片“工匠們”（所能帶來）的可能性。

甚至Zeloof本人還“王婆賣瓜，自賣自夸”地說：

我的工作可是超越了摩爾定律的哦。

（注：摩爾定律是指集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。）

或許讀到這里，你已經發出了疑問，“當真這么神奇嗎”？

別急，我們繼續往下扒一扒。

在車庫里DIY的芯片

原來，WIRED此次介紹的芯片，已經是Zeloof打造的第二款芯片（2021年8月），名為Z2。

而第一款芯片Z1，則是他早在2018年打造的產品。

Z1所擁有的晶體管數量僅僅為6個，而Z2在這方面數量，足足是Z1的200倍。

也難怪Zeloof敢半開玩笑地說出“超過摩爾定律”的話了（還給自己做了張圖表）：

從面積來看，Z2的大小也僅為Z1的四分之一，包含10 x 10的晶體管陣列。

面積雖小了，但Z2晶體管在示波器上得到的輸入輸出曲線，依舊是教科書那般完美。

例如Z1就應用到了LED閃光燈、吉他失真踏板等：

但Z1的缺點也比較明顯，那就是它的MOSFET閾值電壓會比較高。

這就需要連接2個9V電池才能去讓Z1正常工作。

而Z2要解決的正是這個問題，也就是可以在低電壓的情況下良好運作起來。

正如Zeloof自己介紹的那樣：

Z2與Z1相比，更小、更好、更快。

當然，更令大眾更驚訝的點，還在于Zeloof的年齡——

造出Z1芯片的時候，他才在上高中三年級；而到了Z2芯片，他則是在卡內基梅隆大學讀大四。

這也難怪不少網友將其稱為“天才少年”。

而在Z2問世半年后，也就是這個月初，Zeloof還宣布他“設計一款新芯片，離正常運行不遠了”！

看來Zeloof的Z3芯片，也是準備即將問世了。

那么接下來的一個問題便是：

如何一己之力打造芯片？

即便是被稱作“天才少年”，但Zeloof的DIY項目也并非是一帆風順。

畢竟造芯，從來就不是一件簡單的事情。

以Z2為例，打造它的第一步，就是做設計工作。

而這一步，你可能沒想到的是，他竟然是在PhotoShop?（PS）中完成的……

Zeloof對此解釋說，因為他的芯片只有4層需要設計，所以用PS會比其它軟件來得更簡單一些。

接下來就是做晶圓?（制作芯片所用的硅晶片）。

但由于最初的晶圓太大了，所以Zeloof用金剛石劃線器把它們切割成2英寸見方。

不過從現在的結果來看，可以說Zeloof的成果還是較為成功的。

之后把它放到95度的熱板上干燥1分鐘，留下一層固體薄膜，這就得到了晶圓上的摻雜層?（Doped Layer），用來制造MOSFET的源極/漏極。

在此之后，Zeloof把它“移步”到自制的無掩膜光刻機進行光刻。

例如下面藍色點便是整個曝光場，會留在一個位置大概9秒鐘時間，然后便可以把晶圓移到另一個位置，繼續去曝光那個地方。

之后在顯影步驟中，Zeloof把晶圓浸泡在氫氧化鉀溶液中大約1分鐘時間。

這樣做的目的，是把上一步曝光的光刻膠部分給蝕刻掉。

至此，光刻膠的“使命”算是完成了，Zeloof便用丙酮洗刷將其剝離掉。

而這些個步驟還僅僅算是個開始。

Zeloof手中的晶圓又繼續經歷了擴散摻雜磷、腐蝕氧化層、濺射金屬、腐蝕金屬、表征、打線、封裝、測試等一些列種種步驟。

這整個過程的復雜程度，是可見一斑了。

而在Zeloof的介紹過程中，“自制（homemade）”這次被提及了許多次。

這因為在他車庫里的幾乎所有設備，大到光刻機、顯微鏡，小到瓶瓶罐罐的試劑、溶液，都是Zeloof從eBay或其它等渠道淘來，然后一點一滴地手動做了改良。

但即便Zeloof克服了種種困難，與標準商業制造芯片相比，還是有一些“硬傷”是無法避免。

例如他的車庫并不能做到無菌環境，因此Zeloof的芯片就會因為細小的“雜質”，出現短路的情況。

不過從現在的結果來看，可以說Zeloof的成果還是較為成功的。

車庫造芯，還在繼續

能hold住如此復雜的過程，而且其中各種細微親手參與改良。

Zeloof的DIY著實令網友驚艷了一把。

這也就不難理解為什么網友能給出這樣高度的評價了：

這是我所見過“自制”這個詞，最令人印象深刻的用法之一。

這是我見過驚艷的DIY項目！實驗室也是有夠瘋狂的了！

但Zeloof在車庫造芯的腳步，至此還并沒有停止。

據WIRED介紹，Zeloof最近升級了他的光刻機，可以把工藝縮小到300納米（0.3微米）。

這個水平已經可以與90年代中期的商業芯片相媲美。

那么Zeloof接下來還會給我們帶來怎樣的驚喜？

是值得拭目以待了。

參考鏈接：

[1]https://www.wired.com/story/22-year-old-builds-chips-parents-garage/
[2]http://Zeloof.zeloof.xyz/category/semiconductor/
[3]https://www.youtube.com/watch?v=IS5ycm7VfXg
[4]https://twitter.com/szeloof