22歲男孩在地下車庫造出芯片 排列布局起起落落宛若一座城市

　　【22歲男孩在地下車庫造出芯片 排列布局起起落落宛若一座城市】一枚華為麒麟990芯片，由103億顆晶體管組成。如果放大看芯片的層級結(jié)構(gòu)，排列布局起起落落，宛若一座城市。

　　毋庸置疑，將幾百上千億顆比細(xì)胞還小的晶體管塞進(jìn)芯片里，是一個極端復(fù)雜且耗資巨大的工程難題，甚至曾被描述為“世界上最困難和精密度最高的制造過程”。而臺積電與英特爾財報上每年投入到新晶圓廠建設(shè)的數(shù)百億美元，則證實(shí)了一切。

　　就是在2022年各國百億晶圓廠計劃浩浩蕩蕩推進(jìn)之時，一個22歲的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)電子工程專業(yè)學(xué)生，則在家里的地下車庫里，“初步”完成了屬于自己的半導(dǎo)體制造宏圖——

　　成功設(shè)計并制造出了一枚相當(dāng)于20世紀(jì)60~70年代水平的硅芯片。

　　這個叫山姆·齊魯夫（Sam Zeloof ）的大四學(xué)生，2021年8月在家里，成功 DIY 出自己的第二枚自制電腦芯片Z2。也正因如此，著名雜志 Wired 對其進(jìn)行了報道。

　　不過，這枚芯片只附著了1200個晶體管的芯片，與當(dāng)下的高端工藝差了至少50年的技術(shù)水平。但齊魯夫開了個玩笑：“比起2018年制造的Z1，這枚Z2的晶體管數(shù)量增長速度，絕對超過了摩爾定律。”

　　可以非常肯定的是，一個年輕男孩完整復(fù)刻出半導(dǎo)體整個生產(chǎn)制造流程，雖然聽起來非常了不起，但多多少少都會有噱頭成分在里面——畢竟不能大規(guī)模生產(chǎn)，而且性能落后；

　　但同時，很多細(xì)節(jié)卻顯示，這其中并非沒有商業(yè)層面的借鑒價值，更不必說齊魯夫的成功，在教育與科研層面，也有非常明確的借鑒意義。

　　“大跌眼鏡”的成本與創(chuàng)新

　　非常有趣，齊魯夫從2016年受到一些半導(dǎo)體DIY視頻的啟發(fā)，開始在博客上寫下自己的芯片制造目標(biāo)時，很多半導(dǎo)體人便給他發(fā)過郵件——“這真的不可能”。

　　Wired 援引一位曾被他父親請到家里來檢查安全問題的資深工程師的話就是——“你應(yīng)該做不到，沒人會做到”。但后來看到他一點(diǎn)一點(diǎn)的進(jìn)步，他改口為：“他的確做了一些我從未想過有人會做的事情”。

　　而齊魯夫應(yīng)對反對聲的表現(xiàn)也很有意思：“我只是覺得DIY芯片很有趣。當(dāng)我們聽到‘不可能’的時候…我們應(yīng)該更加小心謹(jǐn)慎地去做。”

　　實(shí)際上，20世紀(jì)60~70年代半導(dǎo)體與集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，很多實(shí)驗(yàn)室與初創(chuàng)公司里的芯片，都是被“手工”制造出來的。因此，對于齊魯夫來說，他需要具備不僅僅是學(xué)校教給自己的電子工程學(xué)知識，更重要的是60年前的歷史經(jīng)驗(yàn)。

　　因此，他閱讀了上世紀(jì)70年代所有相關(guān)專利與教科書，意識到制造出第一枚商用集成電路的仙童半導(dǎo)體，便是在普通工作臺上制造芯片——用干凈的車庫，代替高于1000級的無塵潔凈室；用刀片、膠帶與燒杯，替代上千萬美元的儀器。

　　各種化學(xué)溶劑的瓶瓶罐罐。他把芯片浸在氫氧化物溶液里，溶解掉硅片上的光刻膠。

　　即便不熟悉半導(dǎo)體制造流程，但這幾年借華為與英偉達(dá)之勢，你多多少少也能被網(wǎng)絡(luò)上瘋狂轟炸的半導(dǎo)體知識給普及一二。而在芯片制造流程的七大生產(chǎn)區(qū)域——擴(kuò)散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長、拋光、金屬化中，“光刻”和“刻蝕”無疑是最核心的兩步。

　　然而，動輒上億美元的光刻機(jī)等精密儀器，絕對不可能出現(xiàn)在一個相對簡陋的地下車庫中；此外，這些精密儀器也具有相當(dāng)程度的操作門檻。

　　但你絕對想不到的是，根據(jù)網(wǎng)友對齊魯夫公開視頻（有興趣可以去看Youtube，他拍下了整個過程）和資料中的儀器價值測算，總成本應(yīng)該不會超2萬美元。

　　“光刻”的基本原理其實(shí)相對簡單：先將光敏材料涂在硅片上；然后用一個類似投影儀的設(shè)備，將設(shè)計模板投射在上面，然后再通過一系列步驟溶解掉多余的地方。因此，他解決光刻的方法堪稱“知識遷移鬼才”——

　　他在亞馬遜網(wǎng)站上買了一個會議室投影儀，改裝后安裝在顯微鏡上，組成一臺簡易“光刻機(jī)”。

　　將自己的設(shè)計通過光學(xué)原理微縮到合適的尺寸，投射在自己手工切割的每塊約為半英寸的多晶硅片上，而這枚硅片抹上了對紫外線敏感的材料。

　　再將自制光刻機(jī)將光束投射到“設(shè)計”上：一個由12個電路組成的柵格，每個電路有100個晶體管，共計1200個。

　　而“刻蝕”步驟，很像是一節(jié)大學(xué)里的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課：用酸（各種溶劑）腐蝕每塊芯片，再將它扔進(jìn)在1000攝氏度左右的爐子里烘烤，以調(diào)整電導(dǎo)率，然后送入真空室做進(jìn)一步處理。

　　以上的步驟來來回回捯飭三輪，才能結(jié)束芯片的關(guān)鍵制作步驟。

　　旋涂光刻膠，烘烤、然后曝光顯影，中間用到各種化學(xué)試劑與儀器。來回幾次再放入真空室做蒸發(fā)、濺射。

　　但Wired認(rèn)為，即便是在當(dāng)下，巨型晶圓廠以大致相似的基礎(chǔ)方式生產(chǎn)芯片——在設(shè)計的不同部分使用一系列步驟添加和移除材料。只是復(fù)雜度和成本比齊魯夫的手工作坊要高出幾千倍。

　　有趣的是，除了“光刻機(jī)”與“刻蝕機(jī)”，齊魯夫幾乎所有的設(shè)備都是從eBay和其他拍賣網(wǎng)站上淘的科技破爛——它們多是由一些上世紀(jì)就倒閉的硅谷科技公司生產(chǎn)，如今已經(jīng)十分廉價且都需要深度修理。

　　“他最好的發(fā)現(xiàn)之一，就是那臺雖然壞掉，但90年代售價高達(dá)25萬美元的電子顯微鏡，他只花了1000美元買下來并完成了修復(fù)。” 這臺機(jī)器的主要作用是檢查芯片缺陷，不要小看這臺上世紀(jì)的機(jī)器，它甚至還能觀察蝴蝶翅膀的納米結(jié)構(gòu)。

　　就是在這樣成本極低的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與軟硬件處理下，齊魯夫的第二代芯片 Z2，最終在一臺20年前生產(chǎn)的惠普分析儀器上，跑出了漂亮的電流電壓曲線——這代表著一枚簡易芯片短暫擁有了生命。

　　齊魯夫認(rèn)為分析儀顯示的結(jié)果比較理想

　　事實(shí)上，所有人都會看到這件事的表層意義——

　　太過優(yōu)秀的動手能力、執(zhí)行力以及一種獨(dú)屬于年輕人的不服與自信。齊魯夫取得的成果，足以讓那些總是抱怨學(xué)校里不能提供先進(jìn)儀器的工程專業(yè)學(xué)生感到羞愧。

　　就像一位開發(fā)者評價齊魯夫的執(zhí)行力所贊賞的：“讓我印象深刻的，是他如何來驅(qū)動這個愛好。當(dāng)我18歲的時候，我有很多興趣愛好，但是我很少完成我想做的事情，而學(xué)習(xí)，則是一個更大的挑戰(zhàn)。”

　　此外，齊魯夫也憑借真實(shí)可確認(rèn)的視頻資料，在網(wǎng)上獲得了一群70年代半導(dǎo)體老人的鼓勵與支持。

　　但實(shí)際上，齊魯夫的想法比較簡單：他覺得有意思，所以就動手做了（動手改造是他的習(xí)慣——在2020年，他還把一臺寶麗來膠卷機(jī)，改造成數(shù)碼相機(jī)）；此外，他想以此證明給整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一個有時會故意忽略的事實(shí)：

　　并不是要有數(shù)百萬美元的預(yù)算，才能成為一個發(fā)明者或創(chuàng)新者。這會趕走太多對半導(dǎo)體感興趣但又驚呼門檻太高的年輕人。

　　當(dāng)然，他做的這些芯片絕對不可能裝進(jìn)你的手機(jī)與服務(wù)器；但這種行為，卻恰恰是開源與人類科學(xué)的目標(biāo)——每個人都可以通過復(fù)制來改善整體結(jié)果，促進(jìn)共同利益。

　　齊魯夫也曾改造過相機(jī)：左邊為膠卷機(jī)照片，右邊是齊魯夫改造為數(shù)碼相機(jī)后拍攝的照片。圖片來自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)

　　另外，從商業(yè)市場角度來看，齊魯夫的行為和結(jié)果能夠證明：高質(zhì)量的實(shí)操制造，對某些種類芯片（譬如ASIC）的小規(guī)模生產(chǎn)與運(yùn)行會具備很高的價值。

　　通常來講在半導(dǎo)體市場，只有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)制造，才能降低成本獲得足夠的利潤；在現(xiàn)代工藝中，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化比性能更重要。

　　然而，齊魯夫告訴我們，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展近100年的當(dāng)下，現(xiàn)有開放的軟硬件工具已經(jīng)能夠滿足一些企業(yè)在保證成本的前提下，實(shí)現(xiàn)小規(guī)模生產(chǎn)制造；而很多上世紀(jì)老舊的技術(shù)，并非完全沒有了可取之處。

　　不可忽略的問題

　　我們發(fā)現(xiàn)，Wired對齊魯夫的報道中，有些用詞非常符合歐美文化視角。譬如，他們強(qiáng)調(diào)齊魯夫工作的“車庫”，是歸他父母所有的。而齊魯夫是一名讀大四的年輕人。

　　沒錯，這也是網(wǎng)上對齊魯夫在車庫造出芯片后引發(fā)的最大爭論點(diǎn)——媒體僅僅說出了他的聰明才智，他制造芯片的過程，他取得的最終成功，但卻忽略了他做出這些成績背后的隱晦附加條件。

　　譬如他的家庭，他的社交環(huán)境，都是一些隱藏資源。

　　一位網(wǎng)友毫不留情地批評大眾對齊魯夫的行為吹捧過剩——這只不過是講了一個聰明的富家子弟創(chuàng)新故事。他做的芯片跟現(xiàn)在的東西相比，沒有任何用處。

　　“看看他的車庫實(shí)驗(yàn)室，什么樣的高中生或大學(xué)生能拿著數(shù)千美元買設(shè)備？在他這個年紀(jì)，我肯定沒有這些資源做任何事情。此外，有99.99% 的可能性是他的親人擁有物理或工程相關(guān)的學(xué)位。”

　　這個說法恰好切中了一些事實(shí)。

　　齊魯夫的父親是一名經(jīng)營賽車零部件車間的工業(yè)設(shè)計師，他的哥哥則是一名機(jī)器人工程師，這種家庭氛圍下很難不從小接觸大量工程學(xué)知識與動手機(jī)會。

　　此外我們也不能忽視，為車庫實(shí)驗(yàn)室做安全檢查的那位工齡超過40年的半導(dǎo)體資深工程師，是齊魯夫父親請來的。

　　因此，他的成功有跡可循——雖然個人的聰明才智占據(jù)很大一部分，但并非真正的從零開始。

　　這也印證了紐約客資深撰稿人馬爾科姆·格拉德威爾在2008年出版的轟動一時的《異類》中想證明的：

　　“那些變得卓爾不群的人看似靠個人奮斗，其實(shí)不然。事實(shí)上，它們一直得益于某些隱秘的先天優(yōu)勢，或是非凡的機(jī)緣，亦或某一文化的特殊優(yōu)勢。

　　就像生物學(xué)家討論生物體時常涉及的“生態(tài)學(xué)”：人們通常只想到杰出人士是最優(yōu)質(zhì)的種子，但很少想到成材還必須有充足的光照，深厚肥沃的土壤，以及足夠運(yùn)氣躲過兔子和伐木工人。”

　　其實(shí)齊魯夫也隨口提過，自己做這個DIY試驗(yàn)，是想進(jìn)一步驗(yàn)證DIY制造到底在現(xiàn)代科技生態(tài)系統(tǒng)中處于什么地位——

　　在2022年的節(jié)點(diǎn)上，機(jī)器人設(shè)備與3D打印機(jī)太容易買到且不是太貴；而他用到的開源電子軟硬件平臺 Arduino 與小型單板計算機(jī)樹莓派（Raspberry Pi）都是在2005年之后才出現(xiàn)的。所以，70年代的技術(shù)在當(dāng)下被一個大學(xué)生驗(yàn)證，似乎就變得沒那么難以想象了。

　　換言之，與其說非凡的成就取決于天賦，不如說取決于機(jī)遇。

　　因此，這個最大的爭議，也引發(fā)了很多外國教育界網(wǎng)友的呼吁：如果讓更多家庭、社會條件沒那么好的年輕人獲得同等資源、時間與指導(dǎo)，那么就更有利于普遍性技術(shù)創(chuàng)新，而這就一定需要國家的立法、政策指導(dǎo)的支持（可能也是因?yàn)榘雽?dǎo)體在國外已經(jīng)是成熟到被忽視的產(chǎn)業(yè)了，直到近幾年）。

　　而這一點(diǎn)，從當(dāng)下趨勢來看，其實(shí)國內(nèi)做的比國外要好很多。

　　但相對來看，國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)獲得了國家與大眾輿論的鼎力支持，但似乎在家庭教育與中高等教育理念與體系上有待進(jìn)步。

　　寫在最后：

　　齊魯夫的成功，必然有“擁有其他人所沒有的優(yōu)勢”加持。但他對科技的執(zhí)著與創(chuàng)造力，也無疑鼓勵了很多熱愛科學(xué)且具備創(chuàng)新熱情的年輕人。

　　“我認(rèn)為他給我的啟示是，這個難題的答案是我們可以觸及到的，這就行了。這對下一代積累科學(xué)背景與知識是極其有用的，并最終創(chuàng)造出對更多人有用的東西，就像樹莓派一樣，一代又一代傳承下去。”

　　一位正在讀大學(xué)的工程專業(yè)學(xué)生，絲毫不在意所謂的隱性優(yōu)勢：

　　“愛好真的是很有用的！這本身就是一種偉大的學(xué)習(xí)！即便敲不開這扇門，也可能敲開其他意想不到的大門。

　　而這些愛好，到底花費(fèi)1美元還是1000美元，齊魯夫證明了，這個問題完全不重要。”

　　最后，想給讀者留下一個問題：

　　如果齊魯夫的故事發(fā)生在國內(nèi)，那么會有什么樣的評論與故事走向？