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一个22岁男孩儿 在地下车库里造出芯片

环球中文网 时间:2022-01-24 10:39:28

【环球中文网 cbeiji.com讯】 

封面来自Wired

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。

22岁的工程电子专业大四学生DIY了一枚有1200个晶体管的芯片,图片来自Wired

这个叫山姆·齐鲁夫(Sam Zeloof )的大四学生,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。

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。

“大跌眼镜”的成本与创新

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。

齐鲁夫也曾改造过相机:左边为胶卷机照片,右边是齐鲁夫改造为数码相机后拍摄的照片。图片来自卡内基梅隆大学

另外,从商业市场角度来看,齐鲁夫的行为和结果能够证明:高质量的实操制造,对某些种类芯片(譬如ASIC)的小规模生产与运行会具备很高的价值。

通常来讲在半导体市场,只有实现大规模生产制造,才能降低成本获得足够的利润;在现代工艺中,实现规模化比性能更重要。

然而,齐鲁夫告诉我们,在半导体产业发展近100年的当下,现有开放的软硬件工具已经能够满足一些企业在保证成本的前提下,实现小规模生产制造;而很多上世纪老旧的技术,并非完全没有了可取之处。

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。”

图片来自Wired

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

这也印证了纽约客资深撰稿人马尔科姆·格拉德威尔在2008年出版的轰动一时的《异类》中想证明的:

“那些变得卓尔不群的人看似靠个人奋斗,其实不然。事实上,它们一直得益于某些隐秘的先天优势,或是非凡的机缘,亦或某一文化的特殊优势。

就像生物学家讨论生物体时常涉及的“生态学”:人们通常只想到杰出人士是最优质的种子,但很少想到成材还必须有充足的光照,深厚肥沃的土壤,以及足够运气躲过兔子和伐木工人。”

其实齐鲁夫也随口提过,自己做这个DIY试验,是想进一步验证DIY制造到底在现代科技生态系统中处于什么地位——

在2022年的节点上,机器人设备与3D打印机太容易买到且不是太贵;而他用到的开源电子软硬件平台 Arduino 与小型单板计算机树莓派(Raspberry Pi)都是在2005年之后才出现的。所以,70年代的技术在当下被一个大学生验证,似乎就变得没那么难以想象了。

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。

齐鲁夫的自拍,图片来自卡内基梅隆大学

写在最后:

齐鲁夫的成功,必然有“拥有其他人所没有的优势”加持。但他对科技的执着与创造力,也无疑鼓励了很多热爱科学且具备创新热情的年轻人。

“我认为他给我的启示是,这个难题的答案是我们可以触及到的,这就行了。这对下一代积累科学背景与知识是极其有用的,并最终创造出对更多人有用的东西,就像树莓派一样,一代又一代传承下去。”

一位正在读大学的工程专业学生,丝毫不在意所谓的隐性优势:

“爱好真的是很有用的!这本身就是一种伟大的学习!即便敲不开这扇门,也可能敲开其他意想不到的大门。

而这些爱好,到底花费1美元还是1000美元,齐鲁夫证明了,这个问题完全不重要。”

最后,想给读者留下一个问题:

如果齐鲁夫的故事发生在国内,那么会有什么样的评论与故事走向?

(虎嗅APP)







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