编译 / 张 鸥
编辑 / 牛跟尚
设计 / 皮 皮
来源 / WIRED 作者：Tom Simonite 照片拍摄：SAM KANG
2021年8月，知名芯片制造商英特尔透露了其在美国本土建立巨型工厂的计划，预计8家工厂总投资1000亿美元，招募工人1万名，制造新一代有数十亿个晶体管的强大处理器，解决全球芯片危机。
同月，22岁的萨姆泽鲁夫（Sam Zeloof）达成了他个人的半导体里程碑——在家庭车库里成功自制芯片。他居住在新泽西州，地址距离1947年在贝尔实验室制造第一个晶体管的地方约30英里（48公里）。
泽鲁夫的设备也是自制的。他利用这些设备和收集到的材料残骸，生产了有1200个晶体管的芯片。他把硅片切成片状，用紫外线对其进行微观设计，然后用手把它们浸泡在酸中。
他说：“也许是我过度自信，但我一直在想，有一些人可以做到，那么我也可以，哪怕花费的时间久一些。”泽鲁夫也在自己的YouTube和博客上记录了全过程。
萨姆泽鲁夫
只是一间车库
这个芯片其实是泽鲁夫的第二个作品。2018年他还是一名高中生的时候，制作了第一个小很多的芯片；再往前一年，他在制作单个晶体管。
他的芯片在技术上落后于英特尔的芯片，但他半开玩笑地说，如果比对发展过程，他的早期进展可能比半导体行业的早期进展要快一些。第二块芯片的晶体管数量是第一块的200倍，增长速度超过了摩尔定律。摩尔定律是英特尔的一位联合创始人创造的经验法则，即芯片上的晶体管数量大约每两年增加一倍。
泽鲁夫现在希望能达到英特尔1971年的突破性4004芯片的规模，这是第一个商业微处理器，它有2300个晶体管，被用于计算器和其他商业机器。12月，他开始了临时电路设计的工作，可以进行简单的加法。
众所周知，疫情引发了全球半导体短缺，阻碍了从汽车到手机多个行业的产品供应。不仅仅是行业制造商开始了大刀阔斧的补救，政府也在推出相关激励政策，希望美国在经历了几十年的外包后，能够自给自足，重拾生产计算机芯片的能力。
这个小车库制造的芯片当然不足以为你的汽车提供能量，但泽鲁夫认为，没有数百万美元的预算也能发明成功，这是整个社会能够从中受益的事情。
“极高的成本投资反映了那个领域的高门槛，你会不自觉地去规避风险，这对创新是不利的。”
没有“不可能”
2016年，在上高中的泽鲁夫看到了发明家和企业家杰里埃尔斯沃思（Jeri Ellsworth）的YouTube视频，她在视频中制作了自己拇指大小的晶体管，使用从乙烯基贴花上剪下来的模板和一瓶除锈剂。产生浓厚兴趣的泽鲁夫决定复制埃尔斯沃思的项目。
他给自己定下了从单一晶体管到集成电路的计划。这在行业历史上需要大约十年的时间，但是在他眼里似乎没什么大不了。
埃尔斯沃思现在有自己的增强现实技术开发初创公司，她在采访里表示：“泽鲁夫提醒了世界，这些看起来遥不可及的行业，其实都从一间有巨大能量的小工作室开始。只要你愿意，就可以去做。”
计算机芯片的制造时常被描述为世界上最困难和最精细的制造过程。当泽鲁夫开始在博客上写下他的项目目标时，一些行业专家发来电子邮件告诉他这是不可能的。他说：“说实话，起初我决定做这件事只是因为它很有趣。”他说，“但是当‘不可能’的声音开始出现，就应该要更认真对待了。”
泽鲁夫的家人给予了他很大的支持，但也很谨慎。他的父亲请他认识的一位半导体工程师马克罗斯曼（Mark Rothman）提供安全建议。罗斯曼说：“我的第一反应是，你不能这样做。这只是一个车库。”他在芯片工程领域工作了40年，现在在一家OLED屏幕制造技术公司工作。看到泽鲁夫的进展后，罗斯曼表示表示：“他做了我从未想过人们能做的事情。”
70年代飞兆半导体公司繁忙的生产线
来自70年代的设备
泽鲁夫的项目涉及历史和工程。现代的芯片制造是在那些昂贵的暖通空调系统中进行的，这些系统可以清除每一丝可能困扰其数十亿美元机器的灰尘。很显然，泽鲁夫无法与这些技术相提并论。
他阅读了20世纪60年代和70年代的专利和教科书，在当时，像飞兆半导体（Fairchild Semiconductor）这样的先驱公司里，工程师都是在普通的工作台上制造芯片。泽鲁夫查找了当时的制作方法，使用X-Acto刀片和胶带以及几个烧杯，并从eBay和其他拍卖网站上购买了70年代和80年代的廉价芯片设备。
这些设备曾经属于已经关闭的加利福尼亚科技公司，许多设备还需要修理。泽鲁夫最好的设备之一是一台坏掉的电子显微镜，它在90年代初要花费25万美元，他只用1000美元买下了它并进行了修理。泽鲁夫用它来检查蝴蝶翅膀上的纳米结构以及芯片是否有缺陷。
有时，泽鲁夫也需要随机应变。就像在真正的芯片厂一样，他想用一种叫做光刻的工艺将他的微观细节设计转移到设备上。这涉及到将芯片涂上光敏材料，并使用一个像超精密投影仪一样的设备来刻录模板，以指导后续的加工步骤。光刻机价格昂贵，高达1.5亿美元，因此泽鲁夫将在亚马逊上购买的改装会议室投影仪安装在显微镜上，自己制作。它将他的设计以极小的比例投射到硅片上，然后在硅片上涂抹了对紫外线敏感的材料。
泽鲁夫在2018年完成的第一代芯片Z1，有6个晶体管
第一代芯片Z1
2018年，泽鲁夫在体育课上设计了他的第一个芯片，一个有6个晶体管的简单放大器。整个工作过程耗时12个小时，他在车库里一共走了66步，Z1诞生了。
芯片上有三只跳舞的熊，这是感恩而死乐队（Grateful Dead）的象征，现在出现在泽鲁夫的所有芯片上，以此感谢这个乐队的粉丝——帮助自己的芯片工程师罗斯曼。
Z1使用的晶体管被泽鲁夫称为“直接来自20世纪70年代”，小到175微米，大约是一根头发丝的长度。他把这些芯片放在一块电路板上工作，该电路板闪烁着一个LED和一个吉他失真踏板。
2018年底，泽鲁夫开始在卡内基梅隆大学学习电气工程，在宿舍里对车库晶圆厂设备进行黑客攻击。他升级了设备，为他的第二个芯片Z2做准备。升级后的设备使用了一种更快的开关晶体管设计，基于一种在20世纪70年代成为主流的多晶硅晶体硅片。
泽鲁夫在2021年8月完成的第二代芯片Z2，有1200个晶体管
Z2的诞生
泽鲁夫在一个自制的小转盘上以每分钟4000转的速度旋转手工切割半英寸方块多晶硅，每块多晶硅都成为一个独立的芯片，涂上光敏材料，将其设计转移到表面上。然后，用自制光刻机投射光束：一个由12个电路组成的网格，每个电路有100个晶体管，总共有1200个晶体管。当然，不要忘了跳舞的熊。
紧接着，每个芯片都被蚀刻，并在一个大约1000摄氏度的炉子里烘烤磷原子以调整其导电性。之后在光刻机下再进行三作——在这之间还会将其放入充满发光紫色等离子体的真空室，以蚀刻多晶硅。然后，大功告成。
今天的商业工厂以大致类似的方式生产芯片，使用一连串的步骤在设计的不同部分逐步添加和移除材料。这些芯片要复杂得多，数十亿个小得多的晶体管紧密地排列在一起，而且这些步骤是由机器而不是人工完成的。泽鲁夫的第二代芯片上的晶体管比他的第一代芯片上的晶体管快约10倍，其特征小到10微米，比红细胞大不了多少。
8月，泽鲁夫将Z2连接到惠普公司在80年代发布的一个米色的盒子式半导体分析仪上进行测试。在其发光绿色屏幕上出现的一系列平滑的电流——电压曲线，标志着成功。
泽鲁夫说：“这是生命的第一个迹象。”
他的项目已经吸引了大量的Twitter粉丝和数百万的YouTube浏览量，20世纪70年代的半导体行业资深人士也在给予他建议。
泽鲁夫正在制作的第三代芯片Z3，能够添加1 + 1，作为完整微处理器的一个步骤
泽鲁夫还不确定今年春天毕业后要做什么，但他一直在思考DIY芯片制作在现代科技生态系统中能够处于怎样的位置。在许多方面，DIY实验从未像现在这样强大。机器人装备和3D打印机很容易买到，像Arduino微控制器和Raspberry Pi这样的黑客友好型硬件也已十分成熟。但芯片仍然是在大工厂里制造的。
埃尔斯沃思对此则表示：“我们今天拥有的工具可以让小规模操作触手可及。领先的晶圆厂来说，被视为过时的芯片技术对工程师仍然有用。高质量的手工芯片可能会有很大价值。”
泽鲁夫最近升级了他的光刻机，可以打印出小至0.3微米，或300纳米的——大致与90年代中期的商业芯片行业相当。现在，他正在考虑在英特尔历史性的4004的规模上构建一个芯片的功能。
泽鲁夫说：“我想进一步推动‘车库硅’。一个车库，一个工作室，我们可以从最微小开始，取得巨大的成就。”
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