19岁天才少年自制CPU！纯手工

Posted 2021-09-09 人工智能博士

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转载于 ：新智元

一个人，到底能「肝」到什么程度？

 

19岁「天才少年」或许给了这个问题一个完美的诠释：

 

耗时整整3年，纯手工自制CPU！

 

 

这位叫做 Sam Zeloof 的美国大学生，最终打造出1200个晶体管的CPU！

 

在10微米的多晶硅栅极工艺上实现，命名为Z2。

 

重点是，与英特尔上世纪70年代闻名于世的处理器4004使用了相同技术。

 

PS排阵列，车库自制，超越「摩尔定律」

 

这款Z2芯片由第一代升级而来。

 

18年，17岁的他曾制作了首个集成电路Z1，有6个晶体管。

 

 

和以前一样，整个过程在他的「车库工厂」进行，使用不纯的化学品，自制的设备，没有无尘室。

 

首先，Zeloof 在 Photoshop 中布局了一个简单的 10x10 晶体管阵列。

 

 

一列中的10个晶体管共享一个共同的栅极连接，每行串联在一起，与相邻的晶体管共享一个源极/漏极。

 

 

单个10微米 NMOS 晶体管样子如下，金属层有些不对齐，红色的轮廓是多晶硅，蓝色是源极/漏极。

 

 

之前，Zeloof 一直采用金属栅极工艺制作。

 

铝栅极是与其下面的硅沟道具有很大的功函数差异，从而导致高阈值电压(>10V)。

 

比如，吉他失真踏板和环形振荡器 LED 闪光器，由于这两种材料阈值电压值高，都需要一个或两个 9V 电池来运行电路。

 

 

为了节省功耗，Zeloof 选用多晶硅栅极工艺，性能得到提升，自对准栅极就不会产生高阈值电压。

 

这使得这些芯片与2.5V 和3.3V 逻辑电平兼容。

 

 

图纸设计好后，接着切割晶片，对多晶硅栅极进行蚀刻。

 

 

Zeloof改进了工艺流程，采用自对准方法，选择高温扩散而不是离子注入进行掺杂。

 

 

因为硅片上已经有了各种材料，所以他只需要找到一层薄薄的 SiO2 (大约10nm) ，然后是厚一点的多晶硅 (300nm)。

 

结果显示，Z2 比 Z1 有了飞跃性的进步。

 

改用多晶硅栅极工艺大大降低了功耗，但由于没有纯净的化学品和没有洁净室，产量很低。

 

Zeloof 表示，「我已经做了15个芯片（1500个晶体管），并知道至少有一个完全功能的芯片和至少两个大部分功能，这意味着良率低于 80%，而不是100%。」

 

视频开篇，Zeloof 调侃自己车库造芯超越摩尔定律。

 

 

网友还顺便嘲笑了「挤牙膏」厂英特尔，到了2025年

 

 

Zeloof ：我终于做到了5nm。

 

英特尔：这是我们最新的10nm+++++++ 工艺。

 

极客少年，造芯梦

 

那么，2018年，Sam Zeloof 究竟做了什么？

 

尽管CPU芯片制造门槛越来越高，但天才少年Zeloof并没有放弃梦想。

 

 

2018年，17岁的他还只是一名高三学生，但他已经成功制作了首个集成电路Z1，拥有6个晶体管，使用5微米的PMOS工艺。

 

 

在接受The Amp Hour采访时，Zeloof提到此次发明的灵感源自于YouTube频道，Jeri Ellsworth在个人频道中演示了如何不用特殊工具来切割硅片、自制硅晶体管的方法。

 

 

受此启发，Zeloof计划在Jeri Ellsworth的基础上来制作集成电路。

 

 

这样一位传奇的少年，可以说是一位资深的电子爱好者。

 

他在高中时就开始自己制作芯片，并在家里学习了制造芯片所需的信息和机器。

他从eBay上买来零部件和材料，打造成一个半导体制造实验室。

这位才华横溢的少年认为，尝试制造芯片是一种了解半导体和晶体管内部运作情况的方法。

 

从2017年起，他开始在博客介绍自己的项目，Zeloof收到了很多积极的反馈。

 

一些上世纪70年代的资深工程师也为Zeloof提供了很多建议，希望他能开发出一种相对简单的方法，克隆4004芯片技术，从而更好的为自己开发芯片服务。

 

Zeloof表示，「我开始阅读旧书，研究一些旧的专利，因为新书介绍的制作流程需要非常昂贵的设备。」

网友惊呼，超越摩尔定律！

 

 

参考资料：

https://twitter.com/szeloof/status/1426320038072659971

https://3g.163.com/dy/article/EHLUBPOQ053718W3.html

https://www.cnbeta.com/articles/tech/1167553.htm

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