万万没想到，芯片制造这件事，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的美国青年，凭借过人毅力与技术热情实现的项目。而且，他在车库里DIY芯片的过程中，连光刻机在内的一系列关键设备都是亲手改造的。感兴趣的朋友可以了解一下其详尽的芯片制作过程。
从工艺制程角度来讲，他的芯片特征尺寸达到了10微米，这相当于英特尔第一款微处理器“4004”的水平。当然，受限于个人工作条件，在晶体管集成度上，Zeloof的芯片为1200个，而英特尔“4004”则集成了2300个晶体管。
尽管如此，Zeloof的工作依然获得了高度认可。美国《连线》（WIRED）杂志近期就撰文评价道，他的实践“展示了小型芯片‘工匠们’所能带来的可能性”。
Zeloof本人甚至带着一丝自豪地调侃自己的成果：“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18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。
或许读到这里，你心中已充满疑问：这一切当真如此神奇？别急，我们继续深入探究。
在车库里诞生的自制芯片
原来，《连线》杂志此次介绍的芯片，已经是Zeloof打造的第二款作品（发布于2021年8月），他将其命名为Z2。
而他的第一款芯片Z1，则要追溯到2018年。
Z1所集成的晶体管数量仅为6个，而Z2在这方面达到了1200个，足足是前者的200倍。也难怪Zeloof敢半开玩笑地说出“超过摩尔定律”的话了，他还为此专门制作了一张趋势对比图。
从芯片面积来看，Z2的大小也仅为Z1的四分之一，内部包含一个10 x 10的晶体管阵列。
面积虽小，但Z2晶体管的性能并未打折。在示波器上测试其输入输出曲线，结果依旧呈现出教科书般完美的特性。
更重要的是，Zeloof的芯片不仅仅是停留在“做出来”的阶段，而是已经投入了实际使用。例如，他的第一代芯片Z1就被应用到了LED闪光灯、吉他失真踏板等设备中。
但Z1也存在明显的缺点，即其MOSFET的阈值电压较高，需要连接2个9V电池才能正常工作。而Z2的设计目标之一，正是解决这个问题，使其能够在更低的电压下良好运作。
正如Zeloof自己介绍的那样：“Z2与Z1相比，更小、更好、更快。”
当然，最令大众惊讶的，还是Zeloof的年龄。造出Z1芯片时，他还只是一名高中三年级的学生；而到了发布Z2芯片时，他正在卡内基梅隆大学攻读大四课程。这也难怪不少网友将其称为“天才少年”。
在Z2问世约半年后，也就是今年年初，Zeloof再次宣布他“设计了一款新芯片，离正常运行不远了”！
看来，Zeloof的第三代芯片Z3，也已箭在弦上。
那么接下来的核心问题便是：他是如何以一己之力完成这一切的？
如何以一己之力打造芯片？
即便被称作“天才少年”，Zeloof的DIY芯片之路也绝非一帆风顺。毕竟，芯片制造从来就不是一件简单的事情。
以Z2为例，打造它的第一步是电路设计。这一步可能出乎你的意料：他竟是在Adobe Photoshop中完成的。Zeloof对此解释称，因为他的芯片只需要设计4层掩膜，使用Photoshop反而比专业的EDA软件更简单直接。
设计完成后，下一步是准备晶圆（制作芯片所用的硅晶圆片）。由于初始的晶圆尺寸过大，Zeloof使用金刚石划线器将它们切割成2英寸见方的小片。
接着，Zeloof在晶圆表面旋涂光刻胶，将其放到自制的旋涂仪上，以4000rpm的速度旋转30秒。
然后将其置于95摄氏度的热板上烘烤1分钟，留下了一层固态薄膜。这样就得到了晶圆上的掺杂层，用于后续制造MOSFET的源极和漏极。
在此之后，晶圆被“移步”到自制的无掩膜光刻机中进行曝光。例如下图中的蓝色光点便是曝光区域，会在一个位置停留约9秒钟，然后移动晶圆至下一个位置继续曝光。
随后的显影步骤中，Zeloof将晶圆浸泡在氢氧化钾溶液中约1分钟。目的是将上一步中曝光部分的光刻胶腐蚀掉。
至此，光刻胶的“使命”完成，Zeloof使用丙酮将其从晶圆表面剥离。
然而，上述步骤仅仅是个开始。Zeloof手中的晶圆后续还需经历磷扩散掺杂、腐蚀氧化层、溅射金属、腐蚀金属、电学表征、打线、封装、测试等一系列复杂工序。
整个过程的复杂程度，由此可见一斑。
在Zeloof的叙述中，“自制”（homemade）这个词被反复提及。这是因为在他车库实验室里的几乎所有设备，大到光刻机、显微镜，小到瓶瓶罐罐的化学试剂，都是他从eBay等渠道淘来后，一点一滴亲手改装或调试而成的。
但即便克服了种种困难，与标准商业芯片制造相比，家庭实验室仍有一些无法避免的“硬伤”。例如，车库环境无法做到无菌，因此Zeloof的芯片偶尔会因微小的灰尘“杂质”而导致短路。
不过，从最终结果来看，Zeloof的尝试无疑取得了令人瞩目的成功。
车库造芯，步履不停
能够驾驭如此复杂的工艺流程，并且亲自改良其中众多细微环节，Zeloof的DIY项目着实令全球技术爱好者感到惊艳。
这也就不难理解，为什么网友们会给出如下高度的评价：
这是我所见过‘自制’这个词，最令人印象深刻的用法之一！
这是我见过最惊人的DIY项目！另外，这个实验室也太疯狂了！
然而，Zeloof在车库造芯的探索，并未就此止步。据《连线》杂志介绍，他最近升级了自己的光刻机，能够将工艺水平推进到300纳米（0.3微米）。这个精度已经可以与90年代中期的商业芯片制造工艺相媲美。
那么，这位极客青年接下来还会带来怎样的惊喜？无疑值得我们拭目以待。
引用链接
[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
这样的硬核技术实践与分享精神，正是云栈社区所珍视的极客文化。它告诉我们，技术的边界往往由探索者的热情与双手所定义。
发表于 3 小时前
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