他22岁在家自造芯片，性能接近英特尔初代，连光刻机都有解决方案
金磊 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI
万万没想到，
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！
△ 图源：WIRED
你没听错，这就是一位名叫
而且他在车库里DIY的芯片，是连光刻机 在内一系列设备都是亲手改造 的那种。
若是从工艺角度来讲，就相当于英特尔第一款芯片“4004”的尺寸——10微米 。
当然了，毕竟是靠自己一个人，在晶体管数量方面，Zeloof的芯片为1200个，而英特尔“4004”的则是2300。
不过Zeloof的工作还是得到非常高度的认可，这不《连线》（WIRED）杂志最近就评价道：
展示了小型芯片“工匠们”（所能带来）的可能性。
甚至Zeloof本人还“王婆卖瓜，自卖自夸”地说：
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个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。）
或许读到这里，你已经发出了疑问，“当真这么神奇吗”？
别急，我们继续往下扒一扒。
在车库里DIY的芯片
原来，WIRED此次介绍的芯片，已经是Zeloof打造的第二款芯片（2021年8月），名为Z2 。
而第一款芯片Z1，则是他早在2018年打造的产品。
Z1所拥有的晶体管数量仅仅为6个，而Z2在这方面数量，足足是Z1的200倍 。
也难怪Zeloof敢半开玩笑地说出“超过摩尔定律”的话了（还给自己做了张图表）：
从面积来看，Z2的大小也仅为Z1的四分之一，包含10 x 10的晶体管阵列。
面积虽小了，但Z2晶体管在示波器上得到的输入输出曲线，依旧是教科书那般完美。
例如Z1就应用到了LED闪光灯、吉他失真踏板等：
但Z1的缺点也比较明显，那就是它的MOSFET阈值电压会比较高。
这就需要连接2个9V电池才能去让Z1正常工作。
而Z2要解决的正是这个问题，也就是可以在低电压的情况下良好运作起来。
正如Zeloof自己介绍的那样：
Z2与Z1相比，更小、更好、更快。
当然，更令大众更惊讶的点，还在于Zeloof的年龄 ——
造出Z1芯片的时候，他才在上高中三年级 ；而到了Z2芯片，他则是在卡内基梅隆大学读大四 。
这也难怪不少网友将其称为“天才少年”。
而在Z2问世半年后，也就是这个月初，Zeloof还宣布他“设计一款新芯片，离正常运行不远了”！
看来Zeloof的Z3芯片，也是准备即将问世了。
那么接下来的一个问题便是：
如何一己之力打造芯片？
即便是被称作“天才少年”，但Zeloof的DIY项目也并非是一帆风顺。
毕竟造芯，从来就不是一件简单的事情。
以Z2为例，打造它的第一步，就是做设计 工作。
而这一步，你可能没想到的是，他竟然是在PhotoShop （PS）中完成的……
Zeloof对此解释说，因为他的芯片只有4层需要设计，所以用PS会比其它软件来得更简单一些。
接下来就是做晶圆 （制作芯片所用的硅晶片）。
但由于最初的晶圆太大了，所以Zeloof用金刚石划线器把它们切割成2英寸 见方。
不过从现在的结果来看，可以说Zeloof的成果还是较为成功的。
之后把它放到95度的热板上干燥1分钟，留下一层固体薄膜，这就得到了晶圆上的掺杂层 （Doped Layer），用来制造MOSFET的源极/漏极。
在此之后，Zeloof把它“移步”到自制的无掩膜光刻机 进行光刻。
例如下面蓝色点便是整个曝光场，会留在一个位置大概9秒钟时间，然后便可以把晶圆移到另一个位置，继续去曝光那个地方。
之后在显影 步骤中，Zeloof把晶圆浸泡在氢氧化钾溶液中大约1分钟时间。
这样做的目的，是把上一步曝光的光刻胶部分给蚀刻掉。
至此，光刻胶的“使命”算是完成了，Zeloof便用丙酮洗刷将其剥离掉。
而这些个步骤还仅仅算是个开始。
Zeloof手中的晶圆又继续经历了扩散掺杂磷、腐蚀氧化层、溅射金属、腐蚀金属、表征、打线、封装、测试等一些列种种步骤。
这整个过程的复杂程度，是可见一斑了。
而在Zeloof的介绍过程中，“自制（homemade）”这次被提及了许多次。
这因为在他车库里的几乎所有设备，大到光刻机、显微镜，小到瓶瓶罐罐的试剂、溶液，都是Zeloof从eBay或其它等渠道淘来，然后一点一滴地手动做了改良。
但即便Zeloof克服了种种困难，与标准商业制造芯片相比，还是有一些“硬伤”是无法避免。
例如他的车库并不能做到无菌 环境，因此Zeloof的芯片就会因为细小的“杂质”，出现短路的情况。
不过从现在的结果来看，可以说Zeloof的成果还是较为成功的。
车库造芯，还在继续
能hold住如此复杂的过程，而且其中各种细微亲手参与改良。
Zeloof的DIY着实令网友惊艳了一把。
这也就不难理解为什么网友能给出这样高度的评价了：
这是我所见过“自制”这个词，最令人印象深刻的用法之一。
这是我见过惊艳的DIY项目！实验室也是有够疯狂的了！
但Zeloof在车库造芯的脚步，至此还并没有停止。
据WIRED介绍，Zeloof最近升级了他的光刻机，可以把工艺缩小到300纳米（0.3微米）。
这个水平已经可以与90年代中期的商业芯片相媲美。
那么Zeloof接下来还会给我们带来怎样的惊喜？
是值得拭目以待了。
参考链接：
[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
— 完 —
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最详细芯片制造过程，看完就知道有多难，绝不是一台光刻机的事情
芯片，是所有现在科技应用到现实中的基础，作为一个崛起的大国，掌握芯片技术，是一种必需。
不过国际社会，也是“一山不容二虎”，另一个大国，是不会眼睁睁看着另外一大国的崛起的，所以，通过各种手段，限制另一个大国芯片产业的发展，也成了一种必然。
芯片，看起来很小，就一个指甲盖大小，但是里面所涉及的技术却相当复杂，丝毫不亚于建造飞及和航母。方寸之间，把包含了数十亿个晶体管，有人说，用高倍显微镜来观察芯片的内部结构，比世界上任何一座都要复杂和庞大。如果说，这个世界上哪一种东西把“纳须弥入芥子”这句佛法成为了真实，我想，一定是芯片。
有人说，举全国之力来做一颗芯片，还做不出来吗？是的，还真做不出来，因为，芯片这东西，不是说有钱有人就能够快速从无到有的，还需一个重要的因素：时间。所有的高端技术是通过时间的积累，才达到今天的高度。
看了西瓜视频创作人抖抖代码的视频，本人想在他的基础再展开一下，让大家了解更多有关芯片产业链接知识。
那制造芯片到底有多难呢？我们得说起，首先看看芯片是怎么做出来的。
一、芯片架构
制造芯片之前，需要设计芯片。芯片设计需要有相应的芯片架构，芯片架构就好像房子的结构框架，比如木结构，土木结构，混凝土结构，钢结构等等。现在全球主的要芯片架构主要有四种，分别为：X86、ARM、RiSC-V和MIPS四种。
1、X86架构由美国INTEL公司在1978年发明，中架后面的AMD，IBM也沿用这种架构分别研发了自己芯片，现在PC机上面运行的CPU基本都是X86架构，X86架构的特点是性能高，速度快，兼容性好。
2、ARM是1983年由英国ARM公司发明的，是一个32位精简指令集处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于能耗低，成本低的特点，ARM处理器非常适用于移动通讯领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性。现在使用ARM的芯片公司主要有苹果，谷歌，IBM和华为。因为是ARM发明的，这个芯片公司要研发ARM架构的芯片，首先必须取得ARM的授权，否则就不能进行更新迭代。
3、RiSC-V架构是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构(ISA)，RISC-V是在指令集不断发展和成熟的基础上建立的全新指令。RISC-V指令集完全开源，设计简单，易于移植Unix系统，模块化设计，完整工具链，同时有大量的开源实现和流片案例，得到很多芯片公司的认可。RiSC-V架构由RiSC-V架构基金会运营，目前拥有成员超275名，其中软、硬件公司和机构会员达169家，阿里，谷歌，华为科技，紫光科技都是它的成员。阿里旗下的玄铁系列就是使用RiSC-V架构。
4、MIPS架构是美国MIPS科技公司在1981年发明的，是一种采取精简指令集（RISC）的处理器架构，它是基于一种固定长度的定期编码指令集，并采用导入/存储数据模型。经改进，这种架构可支持高级语言的优化执行。其算术和逻辑运算采用三个操作数的形式，允许编译器优化复杂的表达式。
如今基于该架构的芯片广泛被使用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。最早的MIPS架构是32位，最新的版本已经变成64位。
从上面的资料可以看出，当正主流的芯片技术都在美国和英国所控制，特别是在应用最为广泛的PC和移动端芯片，通过几十的沉淀和完善，其实国家如果要从零开始进行赶超，可以说比送宇航员登月还要难。
看了芯片架构，我们接着开始芯片设计，因为芯片的设计不同于其它工业设计，需要用到专用的设计软件。
二、芯片设计
芯片的设计软件有很多种，不同的设计需求使用对应的设计软件，现在主要的芯片设计软件有以下几种：
1、设计输入工具：
像Cadence的composer,viewlogic的viewdraw,硬件描述语言VHDLVerilog HDL是主要设计语言，许多设计输入工具都支持HDL.另外像Active-HDL和其它的设计输入方法，包括原理和状态机输入方法，设计FPGA/CPLD的工具大都可作为IC设计的输入手段，如Xilinx、Altera等公司提供的开发工具，Modelsim FPGA等。
2、设计仿真工作：
EDA工具的一个最大好处是可以验证设计是否正确，几乎每个公司的EDA产品都有仿真工具。Verilog-XL,NC-verilog用于Verilog仿真，Leapfrog 用于VHDL仿真，Analog Artist用于模拟电路仿真。Viewlogic的仿真器有：viewsim门级电路仿真器，speedwaveVHDL仿真器，VCS一verilog仿真器。Mentor Graphics有其子公司Model Tech 出品的VHDL和Verilog双仿真器：Model Sim.Cadence,Synopsys用的是VSS(VHDL仿真器）。现在的趋势是各大EDA公司都逐渐用HDL仿真器作为电路验证的工具。
3、综合工具
综合工具可以把HDL变成门级网表。这方面Synopsys工具占有较大的优势，它的Design Compile是作综合的工业标准，它还有另外一个产品叫Behavior Compiler,可以提供更高级的综合。另外最近美国又出了一家软件叫Ambit,说是比Synopsys的软件更有效，可以综合50万门的电路，速度更快。今年初Ambit被Cadence公司收购，为此Cadence放弃了它原来的综合软件Synergy.随着FPGA设计的规模越来越大，各EDA公司又开发了用于FPGA设计的综合软件，比较有名的有：Synopsys的FPGA Express,Cadence的Synplity,Mentor的Leonardo,这三家的FPGA综合软件占了市场的绝大部分。
4、布局和布线
在IC设计的布局布线工具中，Cadence软件是比较强的，它有很多产品，用于标准单元、门阵列已可实现交互布线。最有名的是Cadence spectra,它原来是用于PCB布线的，后来Cadence把它用来作IC的布线，其主要工具有：Cell3,Silicon Ensemble标准单元布线器；Gate Ensemble门阵列布线器；Design Planner-布局工具。其它各EDA软件开发公司也提供各自的布局布线工具。
5、物理验证工具
物理验证工具包括版图设计工具、版图验证工具、版图提取工具等等。这方面Cadence也是很强的，其Dracula、Virtuso、Vampire等物理工具有很多的使用者。
6、模拟电路仿真器
前面讲的仿真器主要是针对数学电路的，对于模拟电路的仿真工具，普遍使用SPICE,这是唯一的选择。只不过是选择不同公司的SPICE,像MiceoSim的PSPICE、Meta Soft的HSPICE等等。HSPICE现在被Avanti公司收购了。在众多的SPICE中，最好最准的当数HSPICE,作为IC设计，它的模型最多，仿真的精度也最高。
上面说了这么多，很多人也看不懂，只想告诉大家一件事情，这些设计软件的拥有者基本都是美国公司，使用这些软件，都需要进行购买，如果有一天，这些公司不要开放给其它国家的芯片公司使用，只要在后台把权限一切断，就什么都开不了，因为每一个软件的使用的终端都有一个ID，可以随时把ID的权限关闭。VX封号，大家有体验过就明白了。
也有朋友说，不就是一个软件吗？他不给买咱们写一个出来就行了，其实这种工业设计软件不是我们常用的APP，几个月就能开发一个，这种软件也是需要通过长期的研发，再通过不同的场景应用再进行升级完善。而且中间牵涉到的算法也非常复杂，需要应用到数学，物理，工程学等各种学科。从来开发这样的软件，没有10多20年是拿不下来的。
此文还未完稿，就收到哈工大，哈工程两所大学被禁止使用工科数据处理软件MATLAB的消息。
芯片设计出来了，终于要开始生产了
三、芯片制造
制造芯片的原料非常简单，绝大部分来源于沙子，随处可见，储量非常丰富，取之不尽，用之不竭，所以原材料是不缺的。下面开始按步骤来制作
这就是制造一个芯片的全过程，看起来只有这11步，其实中间的工序有数千道，就是光刻这一道工序要经过上千次的反复操作。工序繁杂，对工艺的要求就非常高，不然生产出来的良品率会非常低，芯片的生产的每一道工序，必须达到100%的良品，就算每一次达到99%，到了最后一道，良品率可以还达不到10%，这样制种出来的芯片成本会非常高。
说到芯片的制造，现在全球能生产芯片的公司有以下十家：
1、美国的英特尔
2、韩国的三星
3、美国的德州仪器nm
4、日本东芝
5、日本索尼
6、台湾台积电
7、意大利和法国的意法半导体
8、日本的瑞萨
9、韩国的海力士
10、中国的中芯国际
其中美国有3家，日本有3家，韩国有2家，中国有2家，能够生产7nm制程却只有两家，分别是台积电和三星。
虽然上面的这些公司都能生产芯片，但是都需要一件关键设备：光刻机，现在全球能生产光刻机的企业只有一家：荷兰ASML（阿斯麦尔）。如果ASML不向以上10家芯片生产企业的某一家销售光刻机，那么这家企业的工艺制程就只能停留在当前的水平，再也无法向前，竞争，是不存在，这就是赤裸裸的垄断。
有些人也许会问，ASML是荷兰公司，和西方大国的打压行动没有关系，这样想就错了，ASML的机器当初发展的时候因为缺资金，只好找客户来投资，才得发展，所以，ASML的光刻机基本属于自产自销，其中最大的股东就是美国的英特尔，在某种程度来说，虽然ASML是荷兰企业，却是美资控股。
为了彻底控制芯片产来整条供应链，西方大国从很早开始，就开始了布局，从芯片架构到芯片设计，然后再芯片生产，牢牢把握住了话语权，芯片产业中的西方大国，就像社交领域的鹅厂，电商领域的猫厂，已经扎根到了细节末节，没有任何办法能够绕过去。
其实在上个世纪，高丽和扶桑的芯片产业曾一度非常发达，大有超越西方大国之势，后来西方大国用尽各种办法，把这两个国家的芯片全部整下去，牢牢的把科技标准的制定权控制在自己手。
打压虽然正在重来，但是历史却不会重演。
虽然东方大国要想取得到芯片的自主权，重新塑造世界标准，是非常有难度的，但是我们相信，中华民族的智慧无与伦比，总有办法克服这个困难，拥有自己的芯片全产业链，做为先头部队，菊花厂己经在国际标准的制定中踏进了一只脚。只要有更多的企业和人才从后助力，这条缝隙就会越挤越大，然后把整个身子都挤进去，最后坐在那把本来应该属于我们的椅子上。
看一段西瓜视频 ，竟然能带出这么多的科普知识，所以有空的时候要看看西瓜视频，里面有很多优质内容，能学到很多知识。
涨知识，就看西瓜视频。
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