他22岁在家自造芯片，性能接近英特尔初代，连光刻机都有解决方案

金磊 发自 凹非寺

量子位 | 公众号 QbitAI

万万没想到，造芯这件事，竟然还能如此“亲民”：

在22岁的年纪，一个人竟能凭一己之力，在自家车库里打造一块芯片！

你没听错，这就是一位名叫Sam Zeloof的美国小伙，硬生生给搞出来的事儿。

而且他在车库里DIY的芯片，是连光刻机在内一系列设备都是亲手改造的那种。

若是从工艺角度来讲，就相当于英特尔第一款芯片“4004”的尺寸——10微米。

当然了，毕竟是靠自己一个人，在晶体管数量方面，Zeloof的芯片为1200个，而英特尔“4004”的则是2300。

不过Zeloof的工作还是得到非常高度的认可，这不《连线》（WIRED）杂志最近就评价道：

展示了小型芯片“工匠们”（所能带来）的可能性。

甚至Zeloof本人还“王婆卖瓜，自卖自夸”地说：

我的工作可是超越了摩尔定律的哦。

（注：摩尔定律是指集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。）

或许读到这里，你已经发出了疑问，“当真这么神奇吗”？

别急，我们继续往下扒一扒。

在车库里DIY的芯片

原来，WIRED此次介绍的芯片，已经是Zeloof打造的第二款芯片（2021年8月），名为Z2。

而第一款芯片Z1，则是他早在2018年打造的产品。

Z1所拥有的晶体管数量仅仅为6个，而Z2在这方面数量，足足是Z1的200倍。

也难怪Zeloof敢半开玩笑地说出“超过摩尔定律”的话了（还给自己做了张图表）：

从面积来看，Z2的大小也仅为Z1的四分之一，包含10 x 10的晶体管阵列。

面积虽小了，但Z2晶体管在示波器上得到的输入输出曲线，依旧是教科书那般完美。

例如Z1就应用到了LED闪光灯、吉他失真踏板等：

但Z1的缺点也比较明显，那就是它的MOSFET阈值电压会比较高。

这就需要连接2个9V电池才能去让Z1正常工作。

而Z2要解决的正是这个问题，也就是可以在低电压的情况下良好运作起来。

正如Zeloof自己介绍的那样：

Z2与Z1相比，更小、更好、更快。

当然，更令大众更惊讶的点，还在于Zeloof的年龄——

造出Z1芯片的时候，他才在上高中三年级；而到了Z2芯片，他则是在卡内基梅隆大学读大四。

这也难怪不少网友将其称为“天才少年”。

而在Z2问世半年后，也就是这个月初，Zeloof还宣布他“设计一款新芯片，离正常运行不远了”！

看来Zeloof的Z3芯片，也是准备即将问世了。

那么接下来的一个问题便是：

如何一己之力打造芯片？

即便是被称作“天才少年”，但Zeloof的DIY项目也并非是一帆风顺。

毕竟造芯，从来就不是一件简单的事情。

以Z2为例，打造它的第一步，就是做设计工作。

而这一步，你可能没想到的是，他竟然是在PhotoShop （PS）中完成的……

Zeloof对此解释说，因为他的芯片只有4层需要设计，所以用PS会比其它软件来得更简单一些。

接下来就是做晶圆 （制作芯片所用的硅晶片）。

但由于最初的晶圆太大了，所以Zeloof用金刚石划线器把它们切割成2英寸见方。

不过从现在的结果来看，可以说Zeloof的成果还是较为成功的。

之后把它放到95度的热板上干燥1分钟，留下一层固体薄膜，这就得到了晶圆上的掺杂层 （Doped Layer），用来制造MOSFET的源极/漏极。

在此之后，Zeloof把它“移步”到自制的无掩膜光刻机进行光刻。

例如下面蓝色点便是整个曝光场，会留在一个位置大概9秒钟时间，然后便可以把晶圆移到另一个位置，继续去曝光那个地方。

之后在显影步骤中，Zeloof把晶圆浸泡在氢氧化钾溶液中大约1分钟时间。

这样做的目的，是把上一步曝光的光刻胶部分给蚀刻掉。

至此，光刻胶的“使命”算是完成了，Zeloof便用丙酮洗刷将其剥离掉。

而这些个步骤还仅仅算是个开始。

Zeloof手中的晶圆又继续经历了扩散掺杂磷、腐蚀氧化层、溅射金属、腐蚀金属、表征、打线、封装、测试等一些列种种步骤。

这整个过程的复杂程度，是可见一斑了。

而在Zeloof的介绍过程中，“自制（homemade）”这次被提及了许多次。

这因为在他车库里的几乎所有设备，大到光刻机、显微镜，小到瓶瓶罐罐的试剂、溶液，都是Zeloof从eBay或其它等渠道淘来，然后一点一滴地手动做了改良。

但即便Zeloof克服了种种困难，与标准商业制造芯片相比，还是有一些“硬伤”是无法避免。

例如他的车库并不能做到无菌环境，因此Zeloof的芯片就会因为细小的“杂质”，出现短路的情况。

不过从现在的结果来看，可以说Zeloof的成果还是较为成功的。

车库造芯，还在继续

能hold住如此复杂的过程，而且其中各种细微亲手参与改良。

Zeloof的DIY着实令网友惊艳了一把。

这也就不难理解为什么网友能给出这样高度的评价了：

这是我所见过“自制”这个词，最令人印象深刻的用法之一。

这是我见过惊艳的DIY项目！实验室也是有够疯狂的了！

但Zeloof在车库造芯的脚步，至此还并没有停止。

据WIRED介绍，Zeloof最近升级了他的光刻机，可以把工艺缩小到300纳米（0.3微米）。

这个水平已经可以与90年代中期的商业芯片相媲美。

那么Zeloof接下来还会给我们带来怎样的惊喜？

是值得拭目以待了。

参考链接：

[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