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22岁小哥在车库手搓的CPU,竟然差点追上初代英特尔?

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之前差评君给大伙说过一个油管博主,路边捡块石头就搓出 CPU 。UP主捡块石头搓出个CPU?恕我直言,人类做不到。

当时这哥们也就搓出个工艺品,压根谈不上实用性,甚至都 “ 点不亮 ” 。


其实点不亮也正常,造芯片是纳米级别的雕刻艺术,这活可以说是人类技术进阶的巅峰。

制造芯片的每一个步骤都要求做到极致,比如硅晶圆提纯。好比是你要在头发上写几百万个字,而且绝不能写错一个字。

再比如光刻机里面那个反光的镜子,用 ASML 的话说,这是宇宙中最平滑的人造结构。


有多平?如果这块镜子有地球那么大,那它不平的地方也就一根头发丝的厚度。

再加上那些动辄几十亿的实验室,即便是在如此严苛的环境下,依然还会出现良品率不高,坏片的几率。

BUT....

一个 22 岁的小伙,在自己家车库里纯手工搓出了一枚芯片,而且还能用。我怀疑这哥们家里有一个钢铁侠同款的 “ 贾维斯 ” 。


但话说回来,芯片这么高精尖的玩意,为啥总有人能在家搓出来?

其实芯片制造原理并不复杂,难点在于能造出足够小、能规模化且良品率极高的芯片。


芯片中“ 电路 ”的工作原理,咱小时候上自然课就学了,用导线一头连接电池,另一头连接灯泡,导线中间再接个开关,开关一闭合灯就亮了。


只是我们要把上面这套用导线连接的东西,缩小成纳米级。

经过不断尝试,科学家发现了半导体硅,它可以通过添加适当的掺杂剂来精准控制硅晶片的电阻率,说白了它可以当传统电路的 “ 导线 ” 。


那个绝缘而且对光敏感的光刻胶,就成了传统电路的 “ 开关 ” 。有了能导电能断电的家伙,就有了传统的电路。

把这样的导线开关布满整个硅晶圆就能组成一个芯片。

那么说完原理,我们再说制造。这个过程大致分搞原料、涂光刻胶、光刻、掺杂和测试这几步。


这次手搓芯片的博主显然没有能力提纯出工业级的成品硅晶圆,所以第一步就是花 45 美元买了一块正儿八经的成品硅晶片,而且商家已经做好切割和外处理,回家直接掰成半英寸见方的形状就 ok。


上面这些步骤,只要你家有指甲剪你也能干。

晶圆搞定,接下来就是涂光敏材料光刻胶。

把晶圆放进自制的离心涂装机,点上一滴 100 微升的光刻胶。以 4000 转的速度转它 30 秒,这样光刻胶就均匀的涂抹在晶圆上了。


再捏起晶圆放在 96 摄氏度的热板上,干燥一分钟,晶圆上就留下一层均匀覆盖的固态薄膜。

上面这步骤,只要你家有洗衣机,你把它马达拆下来把炒菜锅插在马达上,晶圆贴锅上你也能干。

接下来就是光刻,光刻的作用就是把电路印在晶圆上。

注意这个关键词,印!


印之前得有个模板,拿出提前设计好的电路图,把它放在紫外线光下,灯一照就把电路图印了上去了。

因为光刻胶对紫外线敏感,被紫外线照射过的地方光刻胶就溶解了,也就形成电路的雏形。


上面这一步,你只要会用 Photoshop ,在家也能画出个电路图。

但是再往后的步骤,在家基本上不太可能完成了,因为,接下来就涉及到了光刻。


众所周知,光刻机,最重要的就是光。

为了造出从 14nm 到 7nm 再到 5nm 甚至 3nm制程的芯片,我们就需要越来越短的紫外线波长。

这需要在纳米级别下,用 DUV 的光脉冲去连续两次打击液态金属锡,就可以激发出波长更短的 EUV,然后 EUV 就能刻出制程更小的芯片,就是下面这个动图。

看不懂就对了,因为这事除了荷兰的那个阿斯麦,世界没有第二家公司能做出来。

但是,这哥们上亚马逊买了个投影仪,然后又弄个显微镜和投影仪组装起来,就做成了一台简易的 “ 光刻机 ” 。

用这台 “ 光刻机 ” 完成 “ 投影光刻 ” 后,小哥再把芯片放进化学试剂里,就能把原来的沟壑加深,使其刻在晶圆上,最后冲洗掉所有的光刻胶。


这也就完成了初步蚀刻。

但到这一步,这块芯片还是没有灵魂,因为它 “ 不导电 ” 。

下一步就是通过离子注入,赋予硅晶体管电特性,说白了就是让它导电,变成电线。

这时候就得用到另一个比光刻机还要复杂的玩意,刻蚀机。


这玩意有多难造,举个刻蚀机灰尘控制的例子来说。

以常见的 5nm 制成的芯片为例,一片 12 寸的晶圆上,直径大于 20nm 的颗粒不能超过两个。

这就相当于青海省 72.23 万平方公里的土地上,只允许 2 粒葡萄大小的灰尘。

刻蚀机可以在硅结构中注入硼或者磷,再嵌入一点铜做成导线中的“ 电芯 ”,就能让“ 电芯 ”其它晶体管连接。


之后还得用气相沉积技术贴一层 “ 钢化膜 ” ,保护做好的电路不受腐蚀,更加坚固耐用。。

正儿八经的刻蚀机,需要用到专业的离子注入机和气相沉积技术。这种方法相当贵,甚至还有点危险,过程中会用到爆炸性气体硅烷。


先不说危不危险,刻蚀机你就搞不到啊。。。所以,这哥们搬来了一个 “ 烤箱 ” 。

在这里,他运用了一种特别古早的高温扩散方式,也称为退火。

把蚀刻好且冲洗干净的晶圆放入 1000 摄氏度高温的专业 “ 烤箱 ” 里,烘烤 45 分钟,这样就可以把磷原子嵌入进去。


最后再放入从二手市场淘来的真空机,给芯片 “ 贴个膜 ” ,第一层电路大功告成。

之后再往晶圆上面涂一层光刻胶,然后重复光刻、刻蚀、掺杂等上述步骤做出第二层电路,第三层电路。。。

这样子基本就把芯片搞定了。


芯片搞出来,还得先检测一波,看看有没坏点啥的。

这就需要用到电子显微镜。这玩意可以检测小于 0.2um 的细微结构,也就是头发丝的 1/100 大小的物体。

至于价格嘛。。。芯片制造级的电镜大概几百万一台,而且工作环境相当考究,无尘且要温度适宜,就算能搞到一台,车库也不太可能达到要求。


结果这哥们花 1000 美元,直接淘了一台 90 年代售价 25 万美元的电子显微镜,而且还把这玩意给修好了。

这哥们就通过这台机器来检查芯片的缺损。他把芯片折断,用电镜观察芯片的横截面,如果里面有掺杂进灰尘颗粒,这块芯片就算是报废了,这一步也可以顺带检验自己的无尘化做的如何。


检查无误,充分清洗包装后,就掏出了一块成色完好,长宽 2.4 毫米,共计 1200 个晶体管的硅芯片。

最后进行简单 “ 点亮 ”测试。

把芯片放进一台 20 年前的分析仪,这块芯片显示出了完美的电压电流曲线,手搓芯片的制造过程也宣告成功。


虽然现在一个路边能加减乘除的计算机有几万个晶体管,但你可别小看这个手搓芯片。

它拥有 1200 个晶体管,已经逼近英特尔第一代芯片 4004 的 2200 个晶体管数量,不考虑重复率和成品率的前提下,这块手搓芯片已经达到了上世纪六七十年代的水平,小哥还给它起名叫 Z2 。


没错,是还有个叫 Z1 的手搓芯片,他还是个高中生的时候,就在自家车库搓出一个 6 个晶体管的芯片,并且成功用在一个 LED 灯上面。

但是 Z1 需要一个或两个 9V 电池来带动。这次的 Z2 晶体管数量指数级增长,但只需 2.2 或 3.3V 的电池就带得动。


说完芯片,我们再看看造芯片的小哥和他的 “ 车库 ” 。

这个小哥叫山姆·齐鲁夫,父亲是一名赛车零部件工业设计师,哥哥是一名机器人工程师,他的车库长下面这个样,充满各种专业仪器。

这明明就是长着 “ 车库脸 ” 的实验室。


甚至在造芯片之前,他爸爸特意请了一位 40 年工龄的半导体行业资深工程师给小哥检测 “ 车库 ” ,看看插线板放的位置是否合理,是否容易引起火灾等等。

小哥靠着从二手市场淘来一堆破烂,直接搓出一块芯片,堪称史上最强垃圾佬。

但不可否认的是,他的家庭环境多少给了他一点帮助,让他有足够的自信去做这件事,无论成功与否。


花 5 万美元造 1 美元的芯片有啥意义?

引用位博主的话,“ 别人都认为这是一件不可能的事,我认为可以做,我就去做了,我没有想过自己会不会成功,而且我认为不断坚持学习才是最大的挑战。”

面对全新的领域,我们逐渐缺失的不也正是小哥话里说的,那些作为年轻人本该有的不服和自信。


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