这个年轻人,在自家车库做了个芯片

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2022-01-21 09:15

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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)编译自连线,谢谢。


在去年8 月,芯片制造商 英特尔 透露了有关其在美国土地上建造“超级工厂”计划的新细节,这是一座耗资 1000 亿美元的工厂,将有 10,000 名工人生产配备数十亿个晶体管的新一代强大处理器。

也就是在同一个月,22 岁的 Sam Zeloof 宣布了自己的 半导体 里程碑。这个产品是在他家的新泽西车库里独自完成的,距离 1947 年贝尔实验室制造第一个晶体管的地方大约 30 英里。

Zeloof 用一系列回收的自制设备制造了一个带有 1,200 个晶体管的芯片。他将硅片切成芯片,用紫外线对其进行显微设计图案化,然后用手将它们浸泡在酸中,并 在 YouTube 他的博客 上记录了这一过程。“也许这是过度自信,但我有一种心态,认为另一个人会弄清楚,所以我也可以,即使可能需要更长的时间,”他说。

Zeloof这个芯片是他的第二个作品。2018 年,他在高中毕业时制作了第一个小得多的作品;在那之前的一年,他开始制造单个晶体管。他的芯片在技术上落后于英特尔,但 Zeloof 只是半开玩笑地辩称,他的进步比半导体行业早期的进步更快。他的第二个芯片的晶体管数量是第一个芯片的 200 倍,增长速度超过了摩尔定律,这是英特尔联合创始人创造的经验法则,即芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番。

Zeloof 现在希望能赶上英特尔 1971 年突破性的 4004 芯片的规模,这是第一个商用微处理器,有 2300 个晶体管,用于计算器和其他商用机器。12 月,他开始研究可以执行简单加法的 临时电路设计。


在 Zeloof 的车库外,大流行引发了全球半导体短缺,从 汽车 游戏机 的产品供应陷入困境。经过数十年的离岸外包,这激发了决策者对 重建美国 生产自己的计算机芯片的能力的新兴趣。

车库制造的芯片不会为你的 PlayStation 提供动力,但 Zeloof 说,他不寻常的爱好让他相信,如果没有数百万美元的预算,发明家更容易接触到芯片制造,社会将会受益。“如此高的进入门槛会让你极度厌恶风险,这对创新不利,”Zeloof 说。

2016 年,Zeloof 还在读高中三年级时,他就开始制作自己的芯片。发明家和企业家 Jeri Ellsworth 的 YouTube 视频给他留下了深刻的印象,她在视频中 制作了自己的拇指大小的晶体管 ,其中包括模板切割来自乙烯基贴花和一瓶除锈剂。Zeloof 着手复制 Ellsworth 的项目,并采取他认为合乎逻辑的下一步:从单独的晶体管到集成电路,历史上大约需要十年的时间。Ellsworth现在是一家名为 Tilt Five 的增强现实初创公司的首席执行官,他说:“他把它向前推进了一大步。” “提醒世界这些看似遥不可及的行业开始于更温和的地方是非常有价值的,你可以自己做。”

计算机芯片制造有时被描述为世界上最困难和最精确的制造过程。当 Zeloof 开始在博客上介绍他的项目目标时,一些行业专家通过电子邮件告诉他这是不可能的。“老实说,这样做的原因是因为我认为这很有趣,”他说。“我想声明,当我们听到不可能的事情时,我们应该更加小心。”

Zeloof 的家人表示支持,但也很谨慎。他的父亲请一位他认识的半导体工程师提供一些安全建议。“我的第一反应是你做不到。这是一个车库,”马克·罗斯曼说,他在芯片工程领域工作了 40 年,现在在一家为 OLED 屏幕制造技术的公司工作。看到泽洛夫的进步,罗斯曼最初的反应缓和了下来。“他做了我从未想过人们会做的事情。”

Zeloof 的项目涉及历史和工程。 现代芯片制造在其昂贵的 HVAC 系统清除可能影响其数十亿美元机器 的所有灰尘的设施中进行。Zeloof 无法匹配这些技术,因此他阅读了 1960 年代和 70 年代的专利和教科书,当时飞兆半导体等先驱公司的工程师在普通工作台上制造芯片。“他们描述了使用 X-Acto 刀片和胶带以及一些烧杯的方法,而不是‘我们拥有这台价值 1000 万美元的房间大小的机器,’”Zeloof 说。

Zeloof 还必须为他的实验室配备老式设备。在 eBay 和其他拍卖网站上,他发现了 1970 年代和 80 年代的廉价芯片设备,这些设备曾经属于已关闭的加利福尼亚科技公司。许多设备需要修理,但旧机器比现代实验室机器更容易修补。Zeloof 最好的发现之一是一台破损的电子显微镜,在 90 年代初期价值 250,000 美元;他花了 1,000 美元买了它并修理了它。他用它来检查他的芯片是否有缺陷,以及 蝴蝶翅膀上的纳米结构

Zeloof 修复了在线购买的过时设备,包括电子显微镜,以制造他的芯片。
摄影:SAM KANG

有时 Zeloof 不得不即兴发挥。就像在真正的芯片工厂中一样,他想使用一种称为光刻的工艺将他的微观细节设计转移到他的设备上。它涉及在光敏材料中涂上芯片,并使用像超精密投影仪这样的设备在模板中进行刻录,该模板将指导后续处理步骤。光刻机非常昂贵 ——高达 1.5 亿美元 ——因此 Zeloof 将在亚马逊上购买的一台经过改进的会议室投影仪固定在显微镜上,从而制造了自己的光刻机。它将他的设计以微小的规模投射到硅晶片上,Zeloof 用对紫外线敏感的材料涂敷。

2018 年,Zeloof 在体育课上设计了他的第一个芯片,一个带有六个晶体管的简单放大器,当时一位代课老师指导学生做功课。在他的车库里工作了大约 12 小时,走了 66 步之后,他拥有了 Z1。它以三只跳舞的熊为特色,它们是 Grateful Dead 的象征,现在出现在 Zeloof 的所有芯片上,以感谢乐队的粉丝 Rothman。

Z1 使用了 Zeloof 称之为“1970 年代直接”的晶体管,其尺寸小至 175 微米,大约只有头发那么宽。他将这些芯片放在一个电路板上工作,该电路板会闪烁一个 LED 和一个 吉他失真踏板

2018 年末,Zeloof 开始在卡内基梅隆大学学习电气工程,同时在他的宿舍里对车库制造设备进行黑客攻击。尽管他说他遵守了安全规程,但大学对他宿舍里的 X 光机表示异议。在回家的路上,他升级了他的设置,为他的第二个芯片 Z2 做准备。它使用一种更快的开关晶体管设计,这种设计基于一种称为多晶硅的晶体硅晶片,这种晶片在 1970 年代占据主导地位。

Zeloof 在一个自制的小型转盘上以每分钟 4,000 转的速度旋转手工切割的半英寸见方的多晶硅,每一个都成为一个单独的芯片,并在其上涂上将他的设计转移到表面所需的感光材料。然后他自制的光刻机在他的设计上大放异彩:一个由 12 个电路组成的网格,每个电路有 100 个晶体管(和一只跳舞的熊),总共有 1,200 个晶体管。

Zeloof 的第一款芯片 Z1 是在 2018 年制造的,当时他还在上高中,拥有六个晶体管。
摄影:SAM KANG

他的第二个芯片 Z2 于 2021 年 8 月完成,拥有 1,200 个晶体管。
摄影:SAM KANG

Zeloof 正在开发 Z3,这是一款能够增加 1 + 1 的芯片,作为完整微处理器的一个步骤。
摄影:SAM KANG

然后用酸蚀刻每个芯片,并在大约 1,000 摄氏度的炉子中加热,以烘烤磷原子以调整其导电性。在光刻机下再进行三轮——通过步骤分开,包括在充满发光的紫色等离子体以蚀刻掉多晶硅的真空室中的时间——完成每个芯片。今天的商业晶圆厂以大致相似的方式生产芯片,使用一系列步骤在设计的不同部分逐渐添加和移除材料。这些芯片要复杂得多,有数十亿个小得多的晶体管紧密排列在一起,这些步骤是由机器而不是手工完成的。Zeloof 第二代芯片上的晶体管比他的第一代芯片上的晶体管快大约 10 倍,并且具有小至 10 微米的特性,比红细胞大不了多少。

8 月,Zeloof 将 Z2 连接到他出生前 20 年左右由惠普发布的方形米色半导体分析仪进行测试。在其发光的绿色屏幕上出现一系列平滑上升的电流-电压曲线标志着成功。“这条曲线令人惊叹,”Zeloof 说,“在你整天把这片小晶体碎片浸入装有化学品的烧杯中后,这是生命的第一个迹象。”

当你的自制芯片奏效时如何庆祝?“ 发推! ”泽洛夫说。他的项目赢得了专门的 Twitter 关注和数百万的 YouTube 浏览量,以及 1970 年代半导体行业资深人士提供的一些实用技巧。

Zeloof 说他不确定今年春天毕业后想做什么,但他一直在思考 DIY 芯片制造在现代科技生态系统中的地位。在许多方面,DIY 实验从未像现在这样强大:机器人设备和 3D 打印机很容易买到,而 Arduino 微控制器和 Raspberry Pi 等黑客友好型硬件也很成熟。“但这些芯片仍然是在某个地方的大工厂生产的,”Zeloof 说。“在使其更易于访问方面进展甚微。”

Ellsworth 的自制晶体管启发了 Zeloof,他说实现高质量的动手芯片制造可能很有价值。“我们今天拥有的工具可以让小规模运营触手可及,对于某些问题,我认为这很有意义,”她说。Ellsworth 表示,对于领先的晶圆厂来说,被视为过时的芯片技术仍然对工程师有用。

Zeloof 最近升级了他的光刻机,可以打印小至约 0.3 微米或 300 纳米的细节,这与 90 年代中期的商业芯片行业大致相当。现在,他正在考虑他可以在英特尔历史悠久的 4004 规模的芯片中构建的功能。“我想进一步推动车库硅片,让人们对我们可以在家中做这些事情的可能性敞开心扉,”他说。


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