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，在自家車庫裡打造一塊晶片！
△ 圖源：WIRED
你沒聽錯，這就是一位名叫Sam Zeloof的美國小夥，硬生生給搞出來的事兒。
而且他在車庫裡DIY的晶片，是連曝光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，就相當於英特爾第一款晶片「4004」的尺寸——10微米。
當然了，畢竟是靠自己一個人，在電晶體數量方面，Zeloof的晶片為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）雜誌最近就評價道：
展示了小型晶片「工匠們」（所能帶來）的可能性。
甚至Zeloof本人還「王婆賣瓜，自賣自誇」地說：
我的工作可是超越了摩爾定律的哦
。
（注：摩爾定律是指積體電路上可容納的電晶體數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。）
或許讀到這裡，你已經發出了疑問，「當真這麼神奇嗎」？
別急，我們繼續往下扒一扒。
在車庫裡DIY的晶片
原來，WIRED此次介紹的晶片，已經是Zeloof打造的第二款晶片（2021年8月），名為Z2。
而第一款晶片Z1，則是他早在2018年打造的產品。
Z1所擁有的電晶體數量僅僅為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的電晶體陣列。
面積雖小了，但Z2電晶體在示波器上得到的輸入輸出曲線，依舊是教科書那般完美。
並且Zeloof的晶片不僅僅是停留在「做出來」階段，還是已經「用上了」的那種。
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，還在於Zeloof的年齡——
造出Z1晶片的時候，他才在上高中三年級；而到了Z2晶片，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問世半年後，也就是這個月初，Zeloof還宣佈他「設計一款新晶片，離正常運行不遠了」！
看來Zeloof的Z3晶片，也是準備即將問世了。
那麼接下來的一個便是：
如何一己之力打造晶片？
即便是被稱作「天才少年」，但Zeloof的DIY項目也並非是一帆風順。
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，因為他的晶片只有4層需要設計，所以用PS會比其它軟體來得更簡單一些。
接下來就是做晶圓（製作晶片所用的矽晶片）。
但由於最初的晶圓太大了，所以Zeloof用金剛石劃線器把它們切割成2英寸見方。
然後Zeloof在晶圓的表面上圖塗上光刻膠，再把它放到自制旋塗儀上，用4000rpm的速度去旋轉個30秒鐘。
之後把它放到95度的熱板上乾燥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），用來製造MOSFET的源極/漏極。
在此之後，Zeloof把它「移步」到自制的無掩膜曝光機進行光刻。
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，然後便可以把晶圓移到另一個位置，繼續去曝光那個地方。
之後在顯影步驟中，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、表徵、打線、封裝、測試等一些列種種步驟。
這整個過程的複雜程度，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。
這因為在他車庫裡的幾乎所有設備，大到曝光機、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，然後一點一滴地手動做了改良。
但即便Zeloof克服了種種困難，與標準商業製造晶片相比，還是有一些「硬傷」是無法避免。
例如他的車庫並不能做到無菌環境，因此Zeloof的晶片就會因為細小的「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住如此複雜的過程，而且其中各種細微親手參與改良。
Zeloof的DIY著實令網友驚豔了一把。
這也就不難理解為什麼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。
這是我見過驚豔的DIY項目！實驗室也是有夠瘋狂的了！
但Zeloof在車庫造芯的腳步，至此還並沒有停止。
據WIRED介紹，Zeloof最近升級了他的曝光機，可以把工藝縮小到300奈米（0.3微米）。
這個水平已經可以與90年代中期的商業晶片相媲美。
那麼Zeloof接下來還會給我們帶來怎樣的驚喜？
是值得拭目以待了。
參考連結：
[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
