投影仪|22岁小哥在车库手搓的CPU，竟然差点追上初代英特尔？
之前差评君给大伙说过一个油管博主 ， 路边捡块手头就搓出 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 ”。
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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 。
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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 ”。
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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 。
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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 。
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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 ”。
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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 。
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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 。
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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 。
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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！
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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这也就完成了初步蚀刻 。
但到这步 ， 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 。
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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 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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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。
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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 。
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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 。
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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点帮助 ， 让他有足够的自信去做这件事 ， 无论成功与否 。
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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 。
撰文：yx 编辑：面线 封面：萱萱
参考文献：
http://sam.zeloof.xyz
油管——"Z2" - Upgraded Homemade Silicon Chips
Making Microchips at Home - Cooking with Jeri Part1
央视新闻——什么是芯片 IC？
【投影仪|22岁小哥在车库手搓的CPU，竟然差点追上初代英特尔？】虎嗅网——一个22岁男孩儿 ， 在地下车库里造出了芯片
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