在去年8 月，芯片制造商英特爾透露了有關其在美國土地上建造“超級工廠”計劃的新細節，這是一座耗資 1000 億美元的工廠，將有 10,000 名工人生產配備數十億個晶體管的新一代強大處理器。

　　也就是在同一個月，22 歲的 Sam Zeloof 宣布了自己的半導體里程碑。這個產品是在他家的新澤西車庫里獨自完成的，距離 1947 年貝爾實驗室制造第一個晶體管的地方大約 30 英里。

　　Zeloof 用一系列回收的自制設備制造了一個帶有 1,200 個晶體管的芯片。他將硅片切成芯片，用紫外線對其進行顯微設計圖案化，然后用手將它們浸泡在酸中，并在 YouTube和他的博客上記錄了這一過程。“也許這是過度自信，但我有一種心態，認為另一個人會弄清楚，所以我也可以，即使可能需要更長的時間，”他說。

　　Zeloof這個芯片是他的第二個作品。2018 年，他在高中畢業時制作了第一個小得多的作品；在那之前的一年，他開始制造單個晶體管。他的芯片在技術上落后于英特爾，但 Zeloof 只是半開玩笑地辯稱，他的進步比半導體行業早期的進步更快。他的第二個芯片的晶體管數量是第一個芯片的 200 倍，增長速度超過了摩爾定律，這是英特爾聯合創始人創造的經驗法則，即芯片上的晶體管數量大約每兩年翻一番。

　　Zeloof 現在希望能趕上英特爾 1971 年突破性的 4004 芯片的規模，這是第一個商用微處理器，有 2300 個晶體管，用于計算器和其他商用機器。12 月，他開始研究可以執行簡單加法的臨時電路設計。

　　在 Zeloof 的車庫外，大流行引發了全球半導體短缺，從汽車到游戲機的產品供應陷入困境。經過數十年的離岸外包，這激發了決策者對重建美國生產自己的計算機芯片的能力的新興趣。

　　車庫制造的芯片不會為你的 PlayStation 提供動力，但 Zeloof 說，他不尋常的愛好讓他相信，如果沒有數百萬美元的預算，發明家更容易接觸到芯片制造，社會將會受益。“如此高的進入門檻會讓你極度厭惡風險，這對創新不利，”Zeloof 說。

　　2016 年，Zeloof 還在讀高中三年級時，他就開始制作自己的芯片。發明家和企業家 Jeri Ellsworth 的 YouTube 視頻給他留下了深刻的印象，她在視頻中制作了自己的拇指大小的晶體管，其中包括模板切割來自乙烯基貼花和一瓶除銹劑。Zeloof 著手復制 Ellsworth 的項目，并采取他認為合乎邏輯的下一步：從單獨的晶體管到集成電路，歷史上大約需要十年的時間。Ellsworth現在是一家名為Tilt Five的增強現實初創公司的首席執行官，他說：“他把它向前推進了一大步。” “提醒世界這些看似遙不可及的行業開始于更溫和的地方是非常有價值的，你可以自己做。”

　　計算機芯片制造有時被描述為世界上最困難和最精確的制造過程。當 Zeloof 開始在博客上介紹他的項目目標時，一些行業專家通過電子郵件告訴他這是不可能的。“老實說，這樣做的原因是因為我認為這很有趣，”他說。“我想聲明，當我們聽到不可能的事情時，我們應該更加小心。”

　　Zeloof 的家人表示支持，但也很謹慎。他的父親請一位他認識的半導體工程師提供一些安全建議。“我的第一反應是你做不到。這是一個車庫，”馬克·羅斯曼說，他在芯片工程領域工作了 40 年，現在在一家為 OLED 屏幕制造技術的公司工作。看到澤洛夫的進步，羅斯曼最初的反應緩和了下來。“他做了我從未想過人們會做的事情。”

　　Zeloof 的項目涉及歷史和工程。現代芯片制造在其昂貴的 HVAC 系統清除可能影響其數十億美元機器的所有灰塵的設施中進行。Zeloof 無法匹配這些技術，因此他閱讀了 1960 年代和 70 年代的專利和教科書，當時飛兆半導體等先驅公司的工程師在普通工作臺上制造芯片。“他們描述了使用X-Acto刀片和膠帶以及一些燒杯的方法，而不是‘我們擁有這臺價值 1000 萬美元的房間大小的機器，’”Zeloof 說。

　　Zeloof 還必須為他的實驗室配備老式設備。在 eBay 和其他拍賣網站上，他發現了 1970 年代和 80 年代的廉價芯片設備，這些設備曾經屬于已關閉的加利福尼亞科技公司。許多設備需要修理，但舊機器比現代實驗室機器更容易修補。Zeloof 最好的發現之一是一臺破損的電子顯微鏡，在 90 年代初期價值 250,000 美元；他花了 1,000 美元買了它并修理了它。他用它來檢查他的芯片是否有缺陷，以及蝴蝶翅膀上的納米結構。

　　Zeloof 修復了在線購買的過時設備，包括電子顯微鏡，以制造他的芯片。攝影：SAM KANG

　　有時 Zeloof 不得不即興發揮。就像在真正的芯片工廠中一樣，他想使用一種稱為光刻的工藝將他的微觀細節設計轉移到他的設備上。它涉及在光敏材料中涂上芯片，并使用像超精密投影儀這樣的設備在模板中進行刻錄，該模板將指導后續處理步驟。光刻機非常昂貴——高達 1.5 億美元——因此 Zeloof 將在亞馬遜上購買的一臺經過改進的會議室投影儀固定在顯微鏡上，從而制造了自己的光刻機。它將他的設計以微小的規模投射到硅晶片上，Zeloof 用對紫外線敏感的材料涂敷。

　　2018 年，Zeloof 在體育課上設計了他的第一個芯片，一個帶有六個晶體管的簡單放大器，當時一位代課老師指導學生做功課。在他的車庫里工作了大約 12 小時，走了 66 步之后，他擁有了 Z1。它以三只跳舞的熊為特色，它們是 Grateful Dead 的象征，現在出現在 Zeloof 的所有芯片上，以感謝樂隊的粉絲 Rothman。

　　Z1 使用了 Zeloof 稱之為“1970 年代直接”的晶體管，其尺寸小至 175 微米，大約只有頭發那么寬。他將這些芯片放在一個電路板上工作，該電路板會閃爍一個 LED 和一個吉他失真踏板。

　　2018 年末，Zeloof 開始在卡內基梅隆大學學習電氣工程，同時在他的宿舍里對車庫制造設備進行黑客攻擊。盡管他說他遵守了安全規程，但大學對他宿舍里的 X 光機表示異議。在回家的路上，他升級了他的設置，為他的第二個芯片 Z2 做準備。它使用一種更快的開關晶體管設計，這種設計基于一種稱為多晶硅的晶體硅晶片，這種晶片在 1970 年代占據主導地位。

　　Zeloof 在一個自制的小型轉盤上以每分鐘 4,000 轉的速度旋轉手工切割的半英寸見方的多晶硅，每一個都成為一個單獨的芯片，并在其上涂上將他的設計轉移到表面所需的感光材料。然后他自制的光刻機在他的設計上大放異彩：一個由 12 個電路組成的網格，每個電路有 100 個晶體管（和一只跳舞的熊），總共有 1,200 個晶體管。

　　Zeloof 的第一款芯片 Z1 是在 2018 年制造的，當時他還在上高中，擁有六個晶體管。攝影：SAM KANG

　　他的第二個芯片 Z2 于 2021 年 8 月完成，擁有 1,200 個晶體管。攝影：SAM KANG

　　Zeloof 正在開發 Z3，這是一款能夠增加 1 + 1 的芯片，作為完整微處理器的一個步驟。 攝影：SAM KANG

　　然后用酸蝕刻每個芯片，并在大約 1,000 攝氏度的爐子中加熱，以烘烤磷原子以調整其導電性。在光刻機下再進行三輪——通過步驟分開，包括在充滿發光的紫色等離子體以蝕刻掉多晶硅的真空室中的時間——完成每個芯片。今天的商業晶圓廠以大致相似的方式生產芯片，使用一系列步驟在設計的不同部分逐漸添加和移除材料。這些芯片要復雜得多，有數十億個小得多的晶體管緊密排列在一起，這些步驟是由機器而不是手工完成的。Zeloof 第二代芯片上的晶體管比他的第一代芯片上的晶體管快大約 10 倍，并且具有小至 10 微米的特性，比紅細胞大不了多少。

　　8 月，Zeloof 將 Z2 連接到他出生前 20 年左右由惠普發布的方形米色半導體分析儀進行測試。在其發光的綠色屏幕上出現一系列平滑上升的電流-電壓曲線標志著成功。“這條曲線令人驚嘆，”Zeloof 說，“在你整天把這片小晶體碎片浸入裝有化學品的燒杯中后，這是生命的第一個跡象。”

　　當你的自制芯片奏效時如何慶祝？“發推！”澤洛夫說。他的項目贏得了專門的 Twitter 關注和數百萬的 YouTube 瀏覽量，以及 1970 年代半導體行業資深人士提供的一些實用技巧。

　　Zeloof 說他不確定今年春天畢業后想做什么，但他一直在思考 DIY 芯片制造在現代科技生態系統中的地位。在許多方面，DIY 實驗從未像現在這樣強大：機器人設備和 3D 打印機很容易買到，而 Arduino 微控制器和Raspberry Pi等黑客友好型硬件也很成熟。“但這些芯片仍然是在某個地方的大工廠生產的，”Zeloof 說。“在使其更易于訪問方面進展甚微。”

　　Ellsworth 的自制晶體管啟發了 Zeloof，他說實現高質量的動手芯片制造可能很有價值。“我們今天擁有的工具可以讓小規模運營觸手可及，對于某些問題，我認為這很有意義，”她說。Ellsworth 表示，對于領先的晶圓廠來說，被視為過時的芯片技術仍然對工程師有用。

　　Zeloof 最近升級了他的光刻機，可以打印小至約 0.3 微米或 300 納米的細節，這與 90 年代中期的商業芯片行業大致相當。現在，他正在考慮他可以在英特爾歷史悠久的 4004 規模的芯片中構建的功能。“我想進一步推動車庫硅片，讓人們對我們可以在家中做這些事情的可能性敞開心扉，”他說。