Сем Зелуф поєднує машини 1970-х років з саморобним дизайном. Його творіння показують, що можливо сьогодні для дрібних виробників кремнієвих мікросхем.
У серпні 2020 року виробник мікросхем Intel розкрив нові подробиці про свій план побудувати на території США “мега-фабрику” вартістю 100 мільярдів доларів, де 10 000 робітників будуть виробляти нове покоління потужних процесорів з мільярдами транзисторів.
Підписуйтесь на наш Telegram.
У тому ж місяці 22-річний Сем Зелуф оголосив про свою власну віху в області виробництва напівпровідників. Він це зробив самостійно в гаражі своїх батьків в Нью-Джерсі, приблизно в 30 милях від того місця, де в 1947 році в Bell Labs виготовили перший транзистор.
Зібравши колекцію врятованого і саморобного обладнання, Зелуф виготовив чіп з 1200 транзисторами. Він нарізав пластини кремнію, намалював на них мікроскопічні схеми з використанням ультрафіолетового світла і вручну занурив їх в кислоту, документуючи процес на YouTube і в своєму блозі.
“Може бути, це надмірна самовпевненість, але у мене таке мислення, що інша людина зрозуміла, те я теж можу, навіть якщо, можливо, це займе у мене більше часу”, – говорить він.
Цей чип Зелуфа був його другим. Перший, набагато менший, він зробив ще будучи старшокласником у 2018 році. Окремі транзистори він почав робити за рік до цього.
Наздоганяє процесорну промисловість стрибками
Його чипи відстають від Intel на технологічні епохи, але Зелуф лише напівжартома стверджує, що він досягає більш швидкого прогресу, ніж напівпровідникова промисловість в перші роки свого існування.
Його другий чіп має в 200 разів більше транзисторів, ніж його перший, темпи зростання випереджають закон Мура – емпіричне правило, придумане співзасновником Intel, в якому говориться, що кількість транзисторів на чіпі подвоюється приблизно кожні два роки.
Нині Зелуф сподівається досягти рівня проривного чіпа Intel 4004 1971 року – першого комерційного мікропроцесора, який мав 2300 транзисторів і використовувався в калькуляторах та інших бізнес-машинах. У грудні чоловік почав роботу над проміжною схемою, яка може виконувати просте додавання.
За межами гаража Зелуфа пандемія викликала глобальну нестачу напівпровідників, обмеживши поставки товарів від автомобілів до ігрових консолей. Це викликало новий інтерес з боку політиків до відновлення потенціалу США з виробництва власних комп’ютерних чіпів після десятиліть офшорингу.
Чипи, виготовлені в гаражі, не призначені для електроніки, але Зелуф каже, що його незвичайне хобі переконало його в тому, що суспільство виграє від того, що виробництво чипів стане більш доступним для винахідників без багатомільйонних бюджетів.
“Цей дійсно високий бар’єр для входу зробить вас противником ризику, а це погано позначається на інноваціях”, – говорить Зелуф.
Відео YouTube надихають виробляти чипи
Зелуф почав свій шлях до створення власних чипів, будучи учнем середньої школи, в 2016 році. Його вразили відеоролики на YouTube від винахідника та підприємця Джері Еллсворта, в яких вона зробила свої власні транзистори розміром з великий палець за допомогою технологічного процесу, який включав шаблони з вінілових наклейок і пляшку плямовивідника іржі.
Зелуф вирішив повторити проект Еллсворт і зробити те, що здавалося логічним наступним кроком: перейти від одиночних транзисторів до інтегральних схем. Цей стрибок історично зайняв близько десятиліття.
“Він зробив ще один якісний стрибок, – говорить Еллсворт, нині генеральний директор стартапу доповненої реальності під назвою Tilt Five. – Існує величезна цінність, щоб нагадати світові, що ці галузі, які здаються настільки далеко від досяжності, почали десь скромніше, і ви можете зробити це самостійно”.
Виготовлення комп’ютерних чипів іноді називають найскладнішим і точним виробничим процесом в світі. Коли Зелуф почав писати в блозі про свої цілі для проекту, деякі галузеві експерти написали йому по електронній пошті, що це неможливо.
“Причина, чому я це зробив, була чесною, тому що я думав, що це буде весело, – говорить він. – Я хотів зробити заяву про те, що ми повинні бути більш обережними, коли чуємо, що щось неможливо”.
Сім’я Зелуфа підтримувала його, але в той же час була обережна. Його батько попросив знайомого інженера дати кілька порад з техніки безпеки.
“Моєю першою реакцією було те, що ти не міг цього зробити. Це гараж, – говорить Марк Ротман, який 40 років займався розробкою мікросхем, а зараз працює в компанії, що виробляє технології для OLED-екранів. Початкова реакція Ротмана пом’якшилася, коли він побачив прогрес Зелуфа. – Він зробив те, що я ніколи б не думав, що люди можуть зробити”.
Саморобні чипи на старому обладнанні
Проект Зелуфа включає в себе як історію, так і інженерію. Сучасне виробництво мікросхем відбувається на підприємствах, чиї дорогі системи кондиціонування повітря видаляють всі сліди пилу, які можуть пошкодити їх обладнання вартістю в мільярди доларів.
Зелуф не міг зрівнятися з цими методами, тому він читав патенти і підручники 1960-х і 70-х років, коли інженери таких передових компаній, як Fairchild Semiconductor, виготовляли чипи на звичайних верстатах.
“Вони описують методи з використанням лопатей X-Acto, стрічки та декількох склянок, а не “у нас є ця машина ціною 10 мільйонів доларів”, – говорить Зелуф.
Зелуфу теж довелося забезпечити свою лабораторію старовинним обладнанням. На eBay та інших сайтах аукціонів він знайшов готовий запас дешевого чипового обладнання 1970-х і 80-х років, яке колись належало закритим каліфорнійським технологічним компаніям.
Велика частина обладнання вимагала лагодження, але зі старими машинами возитися легше, ніж з сучасним лабораторним обладнанням. Однією з найкращих знахідок Зелуфа був зламаний електронний мікроскоп, який на початку 90-х коштував 250 000 доларів. Він купив його за 1000 доларів і відремонтував. Мікроскоп використовується для перевірки чипів на наявність дефектів.
Часом Зелуфу доводилося імпровізувати. Як і в реальній фабриці мікросхем, він хотів створювати чипи фотолітографією. Процес включає в себе покриття майбутнього чипа світлочутливим матеріалом і використання надточного проектора для проектування шаблону схеми на поверхні кремнієвої пластини.
Фотолітографічні машини коштують дорого – до 150 мільйонів доларів. І тому Зелуф зробив свою власну, прикріпивши до мікроскопа модифікований проектор для конференц-залу, куплений на Amazon.
Саморобні чипи нарощують потужність
У 2018 році Зелуф розробив свій перший чип – простий підсилювач з шістьма транзисторами. Чип створив під час уроку фізкультури після того, як тимчасовий вчитель велів учням виконувати класну роботу.
Приблизно після 12 годин роботи і 66 кроків, розтягнутих на місяць, у нього був Z1. На чипові були зображені три танцюючих ведмедя, які є символом Grateful Dead і тепер з’являються на всіх мікросхемах Зелуфа в знак подяки Ротману, шанувальнику групи.
У Z1 використовувалися транзистори, які Зелуф називає “прямо з 1970-х”, з характеристиками всього 175 мікрон, приблизно як товщина волосини. Він використав чипи для роботи у пристрої, який блимає одним світлодіодом і керує педаллю гітарного спотворення.
В кінці 2018 року Зелуф почав працювати в Університеті Карнегі-Меллона, працюючи над обладнанням у своїй кімнаті в гуртожитку. Хоча він каже, що дотримувався правил техніки безпеки, університет зробив виняток через рентгенівський апарату в його кімнаті в гуртожитку.
Під час поїздок додому він оновив свою техніку, готуючись до свого другого чипа, Z2. Він використовує більш швидку комутаційну конструкцію транзисторів, засновану на пластинах кристалічного кремнію, відомих як полікремній, який став домінуючим у 1970-х роках.
На невеликому саморобному поворотному столі зі швидкістю 4000 оборотів в хвилину Зелуф обертав вирізані вручну напівдюймові квадрати полікремнію, щоб покрити їх світлочутливим матеріалом у процесі фотолітографіх.
Потім його саморобна фотолітографічна машина висвітлила його конструкцію: сітка з 12 схем, кожна з яких містить 100 транзисторів і танцюючого ведмедя, всього 1200 транзисторів.
Потім кожен чіп був протравлений кислотою і нагрітий в печі при температурі близько 1000 градусів Цельсія, щоб спекти атоми фосфору для регулювання провідності кремнію.
Ще три раунди під фотолітографічною машиною, розділені етапами, включаючи час у вакуумній камері, заповненій фіолетовою плазмою для витравлення полікремнію, завершили кожен чип.
Сучасні комерційні фабрики виробляють чипи в цілому аналогічним чином, використовуючи схожу послідовність кроків для поступового додавання і видалення матеріалу в різних частинах майбутньої мікросхеми.
Ці чіпи набагато складніші, з мільярдами набагато менших транзисторів, щільно розташованих один до одного, і етапи виконуються машинами, а не вручну.
Транзистори на чипах другого покоління Зелуфа були приблизно в 10 разів швидше, ніж на його першому, і мали розміри всього 10 мікрон, не набагато більше еритроцита.
У серпні Зелуф протестував Z2, підключивши його до напівпровідникового аналізатора Hewlett Packard. Серія плавно змінюваних кривих струму і напруги сигналізувала про успіх. “На цю криву було дивно дивитися, – говорить Зелуф, – Перша ознака життя після того, як ви цілий день відмиваєте ці маленькі шматки кристалів в склянках з хімікатами”.
Як відсвяткувати, коли виготовлений вдома чип працює? “Напиши це в Твіттері!”- каже Зелуф. Його проект приніс йому відданих фанатів у Twitter і мільйони переглядів на YouTube, а також кілька корисних порад від ветеранів напівпровідникової промисловості 1970-х років.
Саморобні чипи важливі для доступної електроніки
Зелуф каже, що він точно не знає, чим він хоче займатися після закінчення школи. Але він думав про те, яке місце може зайняти виробництво саморобних мікросхем (DIY) в сучасній технологічній екосистемі.
Багато в чому експерименти DIY ніколи не були потужними: робототехнічне обладнання та 3D-принтери легко купуються, а поулярне обладнання, таке як Arduino і Raspberry Pi, добре зарекомендувало себе.
“Але чіпи все ще виробляються десь на великій фабриці, – говорить Зелуф. – Вдалося досягти невеликого прогресу у тому, щоб зробити це більш доступним”.
Еллсворт, чиї саморобні транзистори надихнули Зелуфа, каже, що може бути корисно забезпечити високоякісне практичне виробництво мікросхем.
“Інструменти, якими ми володіємо сьогодні, можуть зробити це доступним для невеликих операцій, і для певних проблем я думаю, що це має великий сенс”, – говорить вона. Еллсворт каже, що технологія чипів, яка вважається застарілою для провідних виробників, все ще може бути корисна інженерам.
Зелуф нещодавно модернізував свою фотолітографічну машину для друку деталей розміром близько 0,3 мікрона або 300 нанометрів – приблизно на рівні індустрії комерційних чіпів в середині 90-х.
Тепер він думає про функції, які він міг би побудувати чип на рівні історичного 4004 Intel. “Я хочу просунути гаражний кремній далі і відкрити людям можливість того, що ми можемо робити”, – говорить він.
За матеріалами: Wired
