Как 22-летний парень делает чипы в гараже своих родителей

В августе 2021 Intel раскрыла подробности о своих планах строительства «мегафабрики» на территории США — завода стоимостью 100 миллиардов долларов, где 10 000 рабочих будут производить новое поколение мощных процессоров, оснащённых миллиардами транзисторов.

В том же месяце 22-летний Сэм Зелуф объявил о собственном достижении в области полупроводников. Он добился этого в одиночку в гараже своей семьи в Нью-Джерси, примерно в 30 милях от места, где в 1947 году в Bell Labs был создан первый транзистор.

---

С помощью своей коллекции восстановленного и самодельного оборудования Зелуф изготовил чип с 1200 транзисторами. Он нарезал кремниевые пластины, нанёс на них микроскопические рисунки с помощью ультрафиолетового света и вручную окунул их в кислоту, документируя процесс на YouTube и в своём блоге.

«Может быть, это излишняя самоуверенность, но у меня такой менталитет: если другой человек справился с этой задачей, значит, и я смогу, даже если это займёт у меня больше времени», — говорит C'v.

Это уже второй чип Сэма. Первый, который был гораздо меньше, он сделал в 2018 году, будучи старшеклассником, а за год до этого он начал делать отдельные транзисторы. Конечно, его чипы отстают от чипов Intel на целые технологические эпохи, но Сэм лишь полушутя утверждает, что он добивается более быстрого прогресса, чем полупроводниковая промышленность в начале своего развития. Его второй чип имеет в 200 раз больше транзисторов, чем первый, что опережает закон Мура — эмпирическое правило, введённое соучредителем Intel, согласно которому количество транзисторов на чипе удваивается примерно каждые два года.

Сейчас Сэм надеется сравняться по масштабам с прорывным чипом Intel 4004, появившимся в 1971 году, и ставшим первым коммерческим микропроцессором, который имел 2300 транзисторов и использовался в калькуляторах и других бизнес-машинах. В декабре он начал работу над промежуточной схемой, которая может выполнять простое сложение.


Сэм утверждает, что упрощение работы с полупроводниками будет способствовать появлению новых идей в области технологий.

За пределами гаража Сэма пандемия вызвала глобальный дефицит полупроводников, затруднив поставки самых различных товаров, от автомобилей до игровых приставок. Эти обстоятельства вызвали новый интерес со стороны политиков к восстановлению потенциала США по производству собственных компьютерных чипов после десятилетий перевода производства в другие страны.

Чипы, собранные в гараже, не предназначены для вашей PlayStation, но Сэм говорит, что его необычное хобби убедило его в том, что общество только выиграет, если производство чипов станет более доступным для изобретателей без многомиллионных бюджетов. По словам Сэма — «Высокий входной барьер сделает вас не склонным к риску, а это плохо для инноваций».

Сэм Зелуф начал свой путь к созданию собственных чипов в 2016 году, будучи учеником средней школы. Его впечатлили видеоролики на YouTube изобретательницы и предпринимательницы Джери Элсворт, в которых она делала собственные транзисторы размером с большой палец, в процессе изготовления которых использовались шаблоны, вырезанные из виниловых наклеек, и бутылка средства для удаления пятен ржавчины.

Сэм решил повторить проект Элсворт и сделать следующий логичный шаг: перейти от одиночных транзисторов к интегральным схемам, что исторически занимает около десяти лет.

«Он сделал квантовый скачок вперёд», — говорит Элсворт, которая сейчас является генеральным директором компании Tilt Five, занимающейся разработкой дополненной реальности. «Есть огромная ценность в напоминании миру о том, что эти отрасли, которые кажутся такими недосягаемыми, начинались где-то в более скромном месте, и вы можете сделать это сами».

Производство компьютерных чипов иногда называют самым сложным и точным производственным процессом в мире. Когда Зелуф начал писать в блоге о своих целях, некоторые эксперты отрасли по электронной почте говорили ему, что это невозможно.

«Причина, по которой я это сделал, честно говоря, в том, что я думал, что это будет смешно», — говорит он. «Я хотел сделать заявление, что мы должны быть более осторожны, когда слышим, что что-то невозможно».

Семья Зелуфа поддержала его, но в то же время была осторожна. Его отец попросил знакомого инженера по полупроводникам дать совет по безопасности.

«Моя первая реакция была такой: «Ты не можешь этого сделать. Это гараж», — говорит Марк Ротман, который 40 лет занимался разработкой микросхем, а сейчас работает в компании, создающей технологию для OLED-экранов. Первоначальная реакция Ротмана смягчилась, когда он увидел успехи Зелуфа. «Он сделал то, что я никогда бы не подумал, что люди могут сделать».

Проект Сэма связан как с историей, так и с инженерией. Современное производство чипов происходит на предприятиях, где дорогостоящие системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха удаляют все следы пыли, которая может повредить оборудование стоимостью в миллиарды долларов. Сэм не мог сравниться с этими методами, поэтому он прочитал патенты и учебники 1960-х и 70-х годов, когда инженеры компаний-первопроходцев, таких как Fairchild Semiconductor, изготавливали чипы на обычных верстаках.

«В этих учебниках описывались методы с использованием лезвий X-Acto, скотча и нескольких мензурок, а не «У нас есть станок стоимостью 10 миллионов долларов и размером с комнату», — говорит Сэм.

Сэму также пришлось пополнить свою лабораторию старинным оборудованием. На eBay и других аукционных сайтах он нашёл готовый запас дешёвых микросхем 1970-х и 80-х годов, которые когда-то принадлежали закрывшимся калифорнийским технологическим компаниям. 

Большая часть оборудования требовала починки, но со старыми машинами легче возиться, чем с современным лабораторным оборудованием. Одной из лучших находок Сэма стал сломанный электронный микроскоп, который в начале 90-х годов стоил 250 000 долларов; он купил его за 1000 долларов и отремонтировал. С его помощью он проверяет свои микросхемы на наличие дефектов, а также наноструктур на крыльях бабочек.


Для производства своих чипов Зелуф чинит устаревшее оборудование, купленное в интернете, включая электронный микроскоп.

Временами Сэму приходилось импровизировать. Как и на настоящей фабрике по производству микросхем, он хотел перенести свои микроскопически детализированные проекты на свои устройства с помощью процесса, называемого фотолитографией. Он включает в себя покрытие будущего чипа светочувствительным материалом и использование устройства, подобного сверхточному проектору, для выжигания шаблона, по которому будут проходить последующие этапы обработки.

Оборудование для фотолитографии стоит дорого — до 150 миллионов долларов, поэтому Сэм сделал собственное, прикрутив к микроскопу модифицированный проектор для конференц-зала, купленный на Amazon. Он проецирует его проекты в крошечном масштабе на кремниевые пластины, которые Зелуф покрывает материалом, чувствительным к ультрафиолетовому свету.

В 2018 году Сэм разработал свой первый чип — простой усилитель с шестью транзисторами — во время урока физкультуры, после того как сменный учитель велел ученикам выполнять классную работу.

После примерно 12 часов работы и 66 шагов в своём гараже у него появился Z1. На нём были изображены три танцующих медведя, которые являются символом Grateful Dead и теперь изображены на всех чипах Сэма.

В Z1 использовались транзисторы, которые Сэм называет «прямиком из 1970-х годов», с размерами 175 микрон, то есть примерно с волосок. Он использовал эти микросхемы в печатной плате, которая мигает одним светодиодом, и в гитарной педали.

В конце 2018 года Сэм начал учиться в Университете Карнеги-Меллон, работая с оборудованием свой гаражной лаборатории прямо в комнате общежития. Хотя Сэм говорит, что соблюдал правила техники безопасности, университет возразил против рентгеновского аппарата в его комнате.

Во время поездок домой он модернизировал свою установку, готовясь к созданию второго чипа — Z2. В нём используется конструкция транзистора с более быстрой коммутацией, основанной на пластинах кристаллического кремния, известного как поликремний, который стал доминирующим в 1970-х годах.

Сэм вращал вручную вырезанные полудюймовые квадраты поликремния, каждый из которых должен был стать отдельным чипом, на маленькой самодельной вертушке со скоростью 4000 оборотов в минуту, чтобы покрыть их светочувствительным материалом, необходимым для переноса дизайна на поверхность будущего чипа. Затем в ход пошла самодельная фотолитографическая машина, которая проявила сетку из 12 схем, каждая со 100 транзисторами (и танцующим медведем), всего 1200 транзисторов.


Слева направо:

1. Первый чип Сэма, Z1, был сделан в 2018 году, когда он ещё учился в средней школе, и имеет шесть транзисторов.
2. Его второй чип, Z2, был закончен в августе 2021 года и имеет 1200 транзисторов.
3. В качестве шага к полноценному микропроцессору Зелуф работает над Z3, чипом, который будет способен складывать 1 + 1.

Затем каждый чип был протравлен кислотой и помещён в печь при температуре около 1 000 градусов Цельсия для запекания атомов фосфора с целью регулировки проводимости. Ещё три цикла работы под фотолитографической машиной, разделённые этапами, включающими время в вакуумной камере, наполненной светящейся фиолетовой плазмой для вытравливания поликремния, завершали работу над каждым чипом.

Современные коммерческие заводы производят чипы примерно таким же образом, используя последовательность шагов для постепенного добавления и удаления материала в различных частях конструкции. Эти чипы гораздо сложнее, в них миллиарды транзисторов гораздо меньшего размера, расположенных плотно друг к другу, и все этапы выполняются машинами, а не вручную. Транзисторы на чипах второго поколения Зелуфа были примерно в 10 раз быстрее, чем на первых, и имели размеры до 10 микрон, что ненамного больше эритроцита.

В августе Сэм протестировал Z2, подключив его к квадратному полупроводниковому анализатору, выпущенному компанией Hewlett Packard примерно за два десятилетия до рождения Сэма. Серия плавно нарастающих кривых тока-напряжения на светящемся зелёном экране означала успех.

«На эту кривую было удивительно смотреть, — говорит Сэм, — первый признак жизни после того, как ты целый день макал этот маленький осколок кристалла в мензурку с химикатами».

Как отпраздновать, когда ваш самодельный чип работает? «Напишите об этом в Твиттере!» — говорит Сэм. Его проект заслужил преданных поклонников в Twitter и миллионы просмотров на YouTube, а также несколько полезных советов от ветеранов полупроводниковой промышленности 1970-х годов.

Сэм говорит, что он ещё не знает точно, чем хочет заниматься после окончания университета этой весной, но он размышляет о том, какое место DIY-чипмейкинг может занять в современной технологической экосистеме. Во многих отношениях DIY-эксперименты никогда не были более сильными чем сейчас: Робототехническое оборудование и 3D-принтеры легко купить, а хакерские аппаратные средства, такие как микроконтроллер Arduino и Raspberry Pi, хорошо известны.

«Но чипы все ещё производятся где-то на большой фабрике», — говорит Сэм. «Прогресс в обеспечении доступности этого оборудования невелик».

Элсворт, чьи самодельные транзисторы вдохновили Зелуфа, говорит, что создание высококачественного ручного производства микросхем может быть полезным.

«Инструменты, которые мы имеем сегодня, могут сделать это доступным для мелких операций, и для определённых проблем, я думаю, это имеет большой смысл», — говорит она. Элсворт говорит, что технология производства микросхем, считающаяся устаревшей для ведущих заводов, всё ещё может быть полезной для инженеров.

Недавно Сэм обновил свою фотолитографическую машину, чтобы печатать детали размером около 0,3 микрона, или 300 нанометров — примерно на уровне коммерческой индустрии чипов середины 90-х годов. Сейчас он думает о том, какие функции он мог бы встроить в чип масштаба исторического 4004 от Intel.

«Я хочу продвинуть гаражный кремний дальше и открыть людям возможность того, что мы можем делать некоторые из этих вещей у себя дома», — говорит Сэм.

Ну а пока Сэм делает свой третий чип, мы продолжаем делать настраиваемого под ваши запросы Telegram-бота с «вкусными» вакансиями Get Me It, который позволит вам найти место, где ваши знания оценят по достоинству. В последнем релизе, мы добавили много всего, чтобы вы получали более подходящие вашим запросам предложения. Теперь, если вы синьор-помидор с зарплатой 300к/наносек и опытом управления межгалактической империей — вы сможете лучше настроить фильтры для себя.

Следуйте за белым кроликом, кликнув на картинку ниже