Сэм Зелуф сочетает машины 1970-х годов с самодельным дизайном. Его творения показывают, что возможно сегодня для мелких производителей кремниевых микросхем.

В августе 2020 года производитель микросхем Intel раскрыл новые подробности о своем плане построить на территории США «мега-фабрику» стоимостью 100 миллиардов долларов, где 10 000 рабочих будут производить новое поколение мощных процессоров с миллиардами транзисторов.

Підписуйтесь на наш Telegram. 

В том же месяце 22-летний Сэм Зелуф объявил о своей собственной вехе в области производства полупроводников. Он это сделал самостоятельно в гараже своих родителей в Нью-Джерси, примерно в 30 милях от того места, где в 1947 году в Bell Labs изготовили первый транзистор.

Собрав коллекцию спасенного и самодельного оборудования, Зелуф изготовил чип с 1200 транзисторами. Он нарезал пластины кремния, нарисовал на них микроскопические схемы с использованием ультрафиолетового света и вручную погрузил их в кислоту, документируя процесс на YouTube и в своем блоге.

«Может быть, это чрезмерная самоуверенность, но у меня такое мышление, что другой человек понял, то я тоже могу, даже если, возможно, это займет у меня больше времени», — говорит он.

Этот чип Зелуфа был его вторым. Первый гораздо меньше, он сделал еще будучи старшеклассником в 2018 году. Отдельные транзисторы он начал делать за год до этого.

Догоняет процессорную промышленность прыжками

Его чипы отстают от Intel на технологические эпохи, но Зелуф лишь полушутя утверждает, что он достигает более быстрого прогресса, чем полупроводниковая промышленность в первые годы своего существования.

Его второй чип должен в 200 раз больше транзисторов, чем его первый, темпы роста опережают закон Мура — эмпирическое правило, придуманный соучредителем Intel, в котором говорится, что количество транзисторов на чипе удваивается примерно каждые два года.

В настоящее время Зелуф надеется достичь уровня прорывного чипа Intel 4004 1971 года — первого коммерческого микропроцессора, который имел 2300 транзисторов и использовался в калькуляторах и других бизнес-машинах. В декабре мужчина начал работу над промежуточной схемой, которая может выполнять простое сложение.

За пределами гаража Зелуфа пандемия вызвала глобальную нехватку полупроводников, ограничив поставки товаров от автомобилей до игровых консолей. Это вызвало новый интерес со стороны политиков к восстановлению потенциала США по производству собственных компьютерных чипов после десятилетий офшорингу.

Чипы, изготовленные в гараже, не предназначенные для электроники, но Зелуф говорит, что его необычное хобби убедило его в том, что общество выигрывает от того, что производство чипов станет более доступным для изобретателей без многомиллионных бюджетов.

«Это действительно высокий барьер для входа сделает вас противником риска, а это плохо сказывается на инновациях», — говорит Зелуф.

Видео YouTube вдохновляют производить чипы

Зелуф начал свой путь к созданию собственных чипов, будучи учеником средней школы, в 2016 году. Его поразили видеоролики на YouTube от изобретателя и предпринимателя Джерри Эллсворта, в которых она сделала свои собственные транзисторы размером с большой палец с помощью технологического процесса, который включал шаблоны из виниловых наклеек и бутылку пятновыводителя ржавчины.

Зелуф решил повторить проект Еллсворт и сделать то, что казалось логичным следующим шагом перейти от одиночных транзисторов до интегральных схем. Этот скачок исторически занял около десятилетия.

«Он сделал еще один качественный скачок, — говорит Еллсворт, ныне генеральный директор стартапа дополненной реальности под названием Tilt Five. — Существует огромная ценность, чтобы напомнить миру, что эти отрасли, которые кажутся столь далеко от досягаемости, начали где-то скромнее, и вы можете сделать это самостоятельно».

Изготовление компьютерных чипов иногда называют самым сложным и точным производственным процессом в мире. Когда Зелуф начал писать в блоге о своих целях для проекта, некоторые отраслевые эксперты написали ему по электронной почте, что это невозможно.

«Причина, по которой я это сделал, была честной, потому что я думал, что это будет весело», — говорит он. — Я хотел сделать заявление о том, что мы должны быть более осторожными, когда слышим, что что-то невозможно».

Семья Зелуфа поддерживала его, но в то же время была осторожна. Его отец попросил знакомого инженера дать несколько советов по технике безопасности.

«Моей первой реакцией было то, что ты не мог этого сделать. Это гараж, — говорит Марк Ротман, который 40 лет занимался разработкой микросхем, а сейчас работает в компании, производящей технологии для OLED-экранов. Начальная реакция Ротмана смягчилась, когда он увидел прогресс Зелуфа. — Он сделал то, что я никогда бы не думал, что люди могут сделать».

Самодельные чипы на старом оборудовании

Проект Зелуфа включает в себя как историю, так и инженерию. Современное производство микросхем происходит на предприятиях, чьи дорогие системы кондиционирования воздуха удаляют все следы пыли, которые могут повредить их оборудование стоимостью в миллиарды долларов.

Зелуф не мог сравниться с этими методами, поэтому он читал патенты и учебники 1960-х и 70-х годов, когда инженеры таких передовых компаний, как Fairchild Semiconductor, производили чипы на обычных станках.

«Они описывают методы с использованием лопастей X-Acto, ленты и нескольких стаканов, а не «у нас есть эта машина ценой 10 миллионов долларов», — говорит Зелуф.

Зелуфу тоже пришлось обеспечить свою лабораторию старинным оборудованием. На eBay и других сайтах аукционов он нашел готовый запас дешевого чипового оборудования 1970-х и 80-х годов, которое когда-то принадлежало закрытым калифорнийским технологическим компаниям.

Большая часть оборудования требовала починки, но со старыми машинами возиться легче, чем с современным лабораторным оборудованием. Одной из лучших находок Зелуфа был взломан электронный микроскоп, который в начале 90-х стоил 250 000 долларов. Он купил его за 1000 долларов и отремонтировал. Микроскоп используется для проверки чипов на наличие дефектов.

Порой Зелуфу приходилось импровизировать. Как и в реальной фабрике микросхем, он хотел создавать чипы фотолитографией. Процесс включает в себя покрытие будущего чипа светочувствительным материалом и использование сверхточного проектора для проецирования шаблона схемы на поверхности кремниевой пластины.

Фотолитографические машины стоят дорого-до 150 миллионов долларов. И поэтому Зелуф сделал свою собственную, прикрепив к микроскопу модифицированный проектор для конференц-зала, куплен на Amazon.

Самодельные чипы наращивают мощность

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

Примерно после 12 часов работы и 66 шагов, растянутых на месяц, у него был Z1. На чиповые были изображены три танцующих медведя, которые являются символом Grateful Dead и теперь появляются на всех микросхемах Зелуфа в знак благодарности Ротману, поклоннику группы.

В Z1 использовались транзисторы, которые Зелуф называет «прямо из 1970-х», с характеристиками всего 175 микрон, примерно как толщина волоса. Он использовал чипы для работы в устройстве, которое мигает одним светодиодом и управляет педалью гитарного искажения.

В конце 2018 года Зелуф начал работать в Университете Карнеги-Меллона, работая над оборудованием в своей комнате в общежитии. Хотя он говорит, что соблюдал правила техники безопасности, университет сделал исключение через рентгеновский аппарата в его комнате в общежитии.

Во время поездок домой он обновил свою технику, готовясь к своему второму чипу, Z2. Он использует более быструю коммутационную конструкцию транзисторов, основанную на пластинах кристаллического кремния, известных как поликремний, который стал доминирующим в 1970-х годах.

На небольшом самодельном поворотном столе со скоростью 4000 оборотов в минуту Зелуф вращал вырезанные вручную полудюймовые квадраты поликремния, чтобы покрыть их светочувствительным материалом в процессе фотолитографий.

Затем его самодельная фотолитографическая машина осветила его конструкцию: сетка из 12 схем, каждая из которых содержит 100 транзисторов и танцующего медведя, всего 1200 транзисторов.

Затем каждый чип был протравленный кислотой и нагретый в печи при температуре около 1000 градусов Цельсия, чтобы испечь атомы фосфора для регулирования проводимости кремния.

Еще три раунда под фотолитографической машиной, разделенные этапами, включая время в вакуумной камере, заполненной фиолетовой плазмой для вытравливания поликремния, завершили каждый чип.

Современные коммерческие фабрики производят чипы в целом аналогичным образом, используя похожую последовательность шагов для постепенного добавления и удаления материала в разных частях будущей микросхемы.

Эти чипы намного сложнее, с миллиардами гораздо меньших транзисторов, плотно расположенных друг к другу, и этапы выполняются машинами, а не вручную.

Транзисторы на чипах второго поколения Зелуфа были примерно в 10 раз быстрее, чем на его первом, и имели размеры всего 10 микрон, не намного больше эритроцита.

В августе Зелуф протестировал Z2, подключив его к полупроводникового анализатора Hewlett Packard. Серия плавно изменяемых кривых тока и напряжения сигнализировала об успехе. «На эту кривую было странно смотреть, — говорит Зелуф, — первый признак жизни после того, как вы целый день отмываете эти маленькие куски кристаллов в стаканах с химикатами».

Как отпраздновать, когда изготовленный дома чип работает? «Напиши это в Твиттере!»- говорит Зелуф. Его проект принес ему преданных фанатов в Twitter и миллионы просмотров на YouTube, а также несколько полезных советов от ветеранов полупроводниковой промышленности 1970-х годов.

Самодельные чипы важны для доступной электроники

Зелуф говорит, что он точно не знает, чем он хочет заниматься после окончания школы. Но он думал о том, какое место может занять производство самодельных микросхем (DIY) в современной технологической экосистеме.

Во многом эксперименты DIY никогда не были мощными: робототехнічне оборудование и 3D-принтеры легко покупаются, а поулярне оборудование, такое как Arduino и Raspberry Pi, хорошо зарекомендовало себя.

«Но чипы все еще производятся где-то на большой фабрике, — говорит Зелуф. – Удалось достичь небольшого прогресса в том, чтобы сделать это более доступным».

Еллсворт, чьи самодельные транзисторы вдохновили Зелуфа, говорит, что может быть полезно обеспечить высококачественное практическое производство микросхем.

«Инструменты, которыми мы владеем сегодня, могут сделать его доступным для небольших операций, и для некоторых проблем я думаю, что это имеет большой смысл», — говорит она. Еллсворт говорит, что технология чипов, которая считается устаревшей для ведущих производителей, все еще может быть полезна инженерам.

Зелуф недавно модернизировал свою фотолітографічну машину для печати деталей размером около 0,3 микрона или 300 нанометров — примерно на уровне индустрии коммерческих чипов в середине 90-х.

Теперь он думает о функциях,которые он мог бы построить на уровне 4004 Intel. «Я хочу продвинуть гаражный кремний дальше и открыть людям возможность того, что мы можем делать», — говорит он.

По материалам: Wired