油管小哥在自家车库手搓CPU，晶体管数追上英特尔第一代芯片4004

　　造芯片是纳米级别的雕刻艺术，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。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。
　　一枚华为麒麟990芯片，由103亿颗晶体管组成。如果放大看芯片的层级结构，排列布局起起落落，宛若一座城市。
　　毋庸置疑，将几百上千亿颗比细胞还小的晶体管塞进芯片里，是一个极端复杂且耗资巨大的工程难题，甚至曾被描述为＂世界上最困难和精密度最高的制造过程＂。而台积电与英特尔财报上每年投入到新晶圆厂建设的数百亿美元，则证实了一切。
　　就是在2022年各国百亿晶圆厂计划浩浩荡荡推进之时，一个22岁的卡内基梅隆大学电子工程专业学生，则在家里的地下车库里，＂初步＂完成了属于自己的半导体制造宏图——成功设计并制造出了一枚相当于20世纪60~70年代水平的硅芯片。
　　山姆·齐鲁夫（Sam Zeloof ）大四学生，2021年8月在家里，成功 DIY 出自己的第二枚自制电脑芯片Z2。也正因如此，著名杂志 Wired 对其进行了报道。油管视频名和小哥的主页网址在文末。
　　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。
　　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。
　　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。
　　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。
　　不过，这枚芯片只附着了1200个晶体管的芯片，与当下的高端工艺差了至少50年的技术水平。但齐鲁夫开了个玩笑：＂比起2018年制造的Z1，这枚Z2的晶体管数量增长速度，绝对超过了摩尔定律。＂
　　可以非常肯定的是，一个年轻男孩完整复刻出半导体整个生产制造流程，虽然听起来非常了不起，但多多少少都会有噱头成分在里面——毕竟不能大规模生产，而且性能落后；
　　但同时，很多细节却显示，这其中并非没有商业层面的借鉴价值，更不必说齐鲁夫的成功，在教育与科研层面，也有非常明确的借鉴意义。
　　非常有趣，齐鲁夫从2016年受到一些半导体DIY视频的启发，开始在博客上写下自己的芯片制造目标时，很多半导体人便给他发过邮件——＂这真的不可能＂。
　　Wired 援引一位曾被他父亲请到家里来检查安全问题的资深工程师的话就是——＂你应该做不到，没人会做到＂。但后来看到他一点一点的进步，他改口为：＂他的确做了一些我从未想过有人会做的事情＂。
　　而齐鲁夫应对反对声的表现也很有意思：＂我只是觉得DIY芯片很有趣。当我们听到‘不可能’的时候…我们应该更加小心谨慎地去做。＂
　　齐鲁夫在实验室讲解自己的Z2制造过程。图片来自他的Youtube视频
　　实际上，20世纪60~70年代半导体与集成电路产业发展初期，很多实验室与初创公司里的芯片，都是被＂手工＂制造出来的。因此，对于齐鲁夫来说，他需要具备不仅仅是学校教给自己的电子工程学知识，更重要的是60年前的历史经验。
　　因此，他阅读了上世纪70年代所有相关专利与教科书，意识到制造出第一枚商用集成电路的仙童半导体，便是在普通工作台上制造芯片——用干净的车库，代替高于1000级的无尘洁净室；用刀片、胶带与烧杯，替代上千万美元的仪器。
　　各种化学溶剂的瓶瓶罐罐。他把芯片浸在氢氧化物溶液里，溶解掉硅片上的光刻胶。
　　即便不熟悉半导体制造流程，但这几年借华为与英伟达之势，你多多少少也能被网络上疯狂轰炸的半导体知识给普及一二。而在芯片制造流程的七大生产区域——扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、抛光、金属化中，＂光刻＂和＂刻蚀＂无疑是最核心的两步。
　　然而，动辄上亿美元的光刻机等精密仪器，绝对不可能出现在一个相对简陋的地下车库中；此外，这些精密仪器也具有相当程度的操作门槛。
　　但你绝对想不到的是，根据网友对齐鲁夫公开视频（有兴趣可以去看Youtube，他拍下了整个过程）和资料中的仪器价值测算，总成本应该不会超2万美元。
　　＂光刻＂的基本原理其实相对简单：先将光敏材料涂在硅片上；然后用一个类似投影仪的设备，将设计模板投射在上面，然后再通过一系列步骤溶解掉多余的地方。因此，他解决光刻的方法堪称＂知识迁移鬼才＂——
　　他在亚马逊网站上买了一个会议室投影仪，改装后安装在显微镜上，组成一台简易＂光刻机＂。
　　将自己的设计通过光学原理微缩到合适的尺寸，投射在自己手工切割的每块约为半英寸的多晶硅片上，而这枚硅片抹上了对紫外线敏感的材料。
　　再将自制光刻机将光束投射到＂设计＂上：一个由12个电路组成的栅格，每个电路有100个晶体管，共计1200个。
　　而＂刻蚀＂步骤，很像是一节大学里的化学实验课：用酸（各种溶剂）腐蚀每块芯片，再将它扔进在1000摄氏度左右的炉子里烘烤，以调整电导率，然后送入真空室做进一步处理。
　　以上的步骤来来回回捯饬三轮，才能结束芯片的关键制作步骤。
　　旋涂光刻胶，烘烤、然后曝光显影，中间用到各种化学试剂与仪器。来回几次再放入真空室做蒸发、溅射
　　但Wired认为，即便是在当下，巨型晶圆厂以大致相似的基础方式生产芯片——在设计的不同部分使用一系列步骤添加和移除材料。只是复杂度和成本比齐鲁夫的手工作坊要高出几千倍。
　　有趣的是，除了＂光刻机＂与＂刻蚀机＂，齐鲁夫几乎所有的设备都是从eBay和其他拍卖网站上淘的科技破烂——它们多是由一些上世纪就倒闭的硅谷科技公司生产，如今已经十分廉价且都需要深度修理。
　　＂他最好的发现之一，就是那台虽然坏掉，但90年代售价高达25万美元的电子显微镜，他只花了1000美元买下来并完成了修复。＂ 这台机器的主要作用是检查芯片缺陷，不要小看这台上世纪的机器，它甚至还能观察蝴蝶翅膀的纳米结构。
　　电子显微镜，图片来自齐鲁夫的vlog视频
　　就是在这样成本极低的实验环境与软硬件处理下，齐鲁夫的第二代芯片 Z2，最终在一台20年前生产的惠普分析仪器上，跑出了漂亮的电流电压曲线——这代表着一枚简易芯片短暂拥有了生命。
　　齐鲁夫认为分析仪显示的结果比较理想
　　事实上，所有人都会看到这件事的表层意义——
　　太过优秀的动手能力、执行力以及一种独属于年轻人的不服与自信。齐鲁夫取得的成果，足以让那些总是抱怨学校里不能提供先进仪器的工程专业学生感到羞愧。
　　就像一位开发者评价齐鲁夫的执行力所赞赏的：＂让我印象深刻的，是他如何来驱动这个爱好。当我18岁的时候，我有很多兴趣爱好，但是我很少完成我想做的事情，而学习，则是一个更大的挑战。＂
　　此外，齐鲁夫也凭借真实可确认的视频资料，在网上获得了一群70年代半导体老人的鼓励与支持。
　　但实际上，齐鲁夫的想法比较简单：他觉得有意思，所以就动手做了（动手改造是他的习惯——在2020年，他还把一台宝丽来胶卷机，改造成数码相机）；此外，他想以此证明给整个半导体产业一个有时会故意忽略的事实：
　　并不是要有数百万美元的预算，才能成为一个发明者或创新者。这会赶走太多对半导体感兴趣但又惊呼门槛太高的年轻人。
　　当然，他做的这些芯片绝对不可能装进你的手机与服务器；但这种行为，却恰恰是开源与人类科学的目标——每个人都可以通过复制来改善整体结果，促进共同利益。
　　不可忽略的问题
　　我们发现，Wired对齐鲁夫的报道中，有些用词非常符合欧美文化视角。譬如，他们强调齐鲁夫工作的＂车库＂，是归他父母所有的。而齐鲁夫是一名读大四的年轻人。
　　没错，这也是网上对齐鲁夫在车库造出芯片后引发的最大争论点——媒体仅仅说出了他的聪明才智，他制造芯片的过程，他取得的最终成功，但却忽略了他做出这些成绩背后的隐晦附加条件。
　　譬如他的家庭，他的社交环境，都是一些隐藏资源。
　　一位网友毫不留情地批评大众对齐鲁夫的行为吹捧过剩——这只不过是讲了一个聪明的富家子弟创新故事。他做的芯片跟现在的东西相比，没有任何用处。
　　＂看看他的车库实验室，什么样的高中生或大学生能拿着数千美元买设备？在他这个年纪，我肯定没有这些资源做任何事情。此外，有99.99% 的可能性是他的亲人拥有物理或工程相关的学位。＂
　　这个说法恰好切中了一些事实。
　　齐鲁夫的父亲是一名经营赛车零部件车间的工业设计师，他的哥哥则是一名机器人工程师，这种家庭氛围下很难不从小接触大量工程学知识与动手机会。
　　此外我们也不能忽视，为车库实验室做安全检查的那位工龄超过40年的半导体资深工程师，是齐鲁夫父亲请来的。
　　因此，他的成功有迹可循——虽然个人的聪明才智占据很大一部分，但并非真正的从零开始。
　　换言之，与其说非凡的成就取决于天赋，不如说取决于机遇。
　　因此，这个最大的争议，也引发了很多外国教育界网友的呼吁：如果让更多家庭、社会条件没那么好的年轻人获得同等资源、时间与指导，那么就更有利于普遍性技术创新，而这就一定需要国家的立法、政策指导的支持（可能也是因为半导体在国外已经是成熟到被忽视的产业了，直到近几年）。
　　而这一点，从当下趋势来看，其实国内做的比国外要好很多。
　　但相对来看，国内半导体产业获得了国家与大众舆论的鼎力支持，但似乎在家庭教育与中高等教育理念与体系上有待进步。
　　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。
　　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？
　　虎嗅网——一个22岁男孩儿，在地下车库里造出了芯片