22-летний Сэм Зелуф изготовил микросхему с 1200 транзисторами в одиночку в собственном гараже в Нью-Джерси. Он использовал самодельное оборудование.
Зелуф нарезал кремниевые пластины, нарисовал на них микроскопические узоры с помощью ультрафиолета и вручную погрузил их в кислоту.
Свой первый чип парень собрал еще в старшей школе в 2018 году. У него было в 200 раз меньше транзисторов. Сам Зелуф шутит, что обогнал по темпам роста всю полупроводниковую отрасль и даже закон Мура, согласно которому количество транзисторов на чипе удваивается примерно каждые два года.
Зелуф стремится собрать чип, который будет соревноваться с Intel 4004 1971 года, первым коммерческим микропроцессором с 2300 транзисторов.
По мнению энтузиаста, общество выиграет, если производство микросхем станет более доступным для изобретателей без многомиллионных бюджетов.
Зелуф вдохновляется видео на YouTube, которые размещает изобретатель и предприниматель Джери Эллсуорт. Женщина изготовила собственные транзисторы размером с большой палец. Зелуф решил воспроизвести проект Эллсуорт и сделать следующий шаг, который ему казался логичным: перейти от одиночных транзисторов к интегральным схемам: совершить скачок, который исторически занимал около десяти лет.
Когда Зелуф начал вести блог о своем проекте, некоторые отраслевые эксперты стали писать ему, что это невозможно. Однако семья поддержала парня. Его отец попросил знакомого инженера полупроводников дать несколько советов по безопасности работы. Зелуфу помогал Марк Ротман, посвятивший 40 лет разработке микросхем, а сейчас работающий в компании, разрабатывающей технологии для OLED-экранов.
Зелуф не мог позволить себе оборудование стоимостью в миллиарды долларов, поэтому он изучал патенты и учебники 1960-х и 70-х годов, когда инженеры компаний-первопроходцев, таких как Fairchild Semiconductor, изготавливали микросхемы на обычных верстаках. «Они описывают методы с использованием лезвий X-Acto, ленты и нескольких стаканов», — говорит Зелуф. На eBay и других сайтах он нашел дешевое оборудование 1970-х и 80-х годов, которое принадлежало ныне закрытым калифорнийским технологическим компаниям. Большая часть оборудования требовала ремонта, в том числе электронный микроскоп, который в начале 90-х стоил $250 тысяч; Зелуф купил его всего за $1000 и отремонтировал. Теперь разработчик использует микроскоп для проверки своих чипов на наличие дефектов, а также наноструктур.
Иногда Зелуфу приходилось импровизировать. Как и в настоящей фабрике микросхем, он хотел перенести свои микроскопически детализированные проекты на устройства, используя процесс, называемый фотолитографией. Это покрытие будущего чипа светочувствительным материалом и использование устройства, подобного сверхточному проектору, для прожига шаблона, который будет направлять последующие этапы обработки. Машины для фотолитографии стоят дорого — до $150 млн, — поэтому Зелуф сделал свое собственное, прикрутив модифицированный проектор для конференц-зала, купленный на Amazon, к микроскопу. Он проецирует его проекты в крошечном масштабе на кремниевые пластины, которые покрывает материалом, чувствительным к ультрафиолетовому излучению.
В 2018 году Зелуф разработал свой первый чип с шестью транзисторами. Для этого потребовалось примерно 12 часов. В Z1 использовались транзисторы с характеристиками всего 175 микрон.
В конце 2018 года Зелуф начал работать в Университете Карнеги-Меллона, взламывая части гаражного оборудования и изучая электротехнику. Хотя он говорит, что соблюдал протоколы безопасности, университет возражал против рентгеновского аппарата в его комнате в общежитии. Во время поездок домой Зелуф модернизировал свою установку. В нем используется конструкция транзистора с более быстрым переключением на основе пластин кристаллического кремния, известного как поликремний, который стал доминирующим в 1970-х годах.
Зелуф крутил вручную вырезанные полудюймовые квадраты поликремния, каждый из которых становился отдельным чипом, на небольшом самодельном поворотном столе со скоростью 4000 оборотов в минуту, чтобы покрыть их светочувствительным материалом. Он получил сетку из 12 цепей, каждая из которых содержит 100 транзисторов; всего получается 1200 транзисторов. Затем Зелуф применил метод спекания атомов фосфора, чтобы отрегулировать проводимость. Еще три раунда под фотолитографической машиной, прерываемые временем в вакуумной камере, заполненной светящейся плазмой для вытравливания поликремния, завершили работу.
Сегодняшние фабрики производят микросхемы в целом аналогичным образом, используя последовательность шагов для постепенного добавления и удаления материала в разных частях конструкции. Эти чипы намного сложнее, с миллиардами гораздо меньших транзисторов, тесно связанных друг с другом, и шаги выполняются машинами, а не вручную. Транзисторы на чипах Зелуфа второго поколения были примерно в 10 раз быстрее, чем на его первом, и имели характеристики всего 10 микрон.
В августе Зелуф протестировал Z2, подключив его к полупроводниковому анализатору, выпущенному Hewlett Packard примерно за два десятилетия до рождения юноши. Серия плавно нарастающих кривых ток-напряжения на светящемся зеленом экране сигнализировала об успехе. «На эту кривую было потрясающе смотреть, — говорит Зелуф, — первый признак жизни после того, как вы целый день окунаете этот маленький осколок кристалла в химический стакан».
Теперь Зелуф получает советы от ветеранов полупроводниковой промышленности 1970х годов. Он говорит, что не знает наверняка, чем хочет заниматься после окончания учебы этой весной, но продолжит заниматься самодельным производством микросхем.
Эллсуорт, чьи самодельные транзисторы вдохновили Зелуфа, говорит, что может быть полезно обеспечить производство высококачественных чипов вручную. «Инструменты, которые у нас есть сегодня, могут сделать это доступным, и я думаю, что для решения некоторых проблем это имеет большой смысл», — отмечает она. Эллсуорт считает, что технология чипов, которую ведущие фабрики считают устаревшей, все еще может быть полезна инженерам.
Зелуф недавно модернизировал свою фотолитографическую машину, чтобы печатать детали размером около 0,3 микрона или 300 нанометров — примерно на уровне коммерческой индустрии микросхем в середине 90-х. Теперь он думает о функциях, которые мог бы встроить в чип в масштабе Intel 4004. «Я хочу продвинуть гаражный кремний дальше и открыть умы людей для понимания возможности того, что мы можем делать некоторые из этих вещей дома», — говорит он.
