我，一个22岁的男孩，在车库里搓出了一块CPU

本文来自微信公众号：差评（ID：chaping321），原标题《22岁小哥在车库手搓的CPU，竟差点追上初代英特尔？》，作者：差评君，题图来自：Sam Zeloof

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。

但是......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 ” 。

《钢铁侠》

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 ASML，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，只允许存在 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

"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

本文来自微信公众号：差评（ID：chaping321），作者：差评君