22歲男孩在地下車(chē)庫(kù)造出芯片 這枚芯片只附著了1200個(gè)晶體管的芯片

　　【22歲男孩在地下車(chē)庫(kù)造出芯片 這枚芯片只附著了1200個(gè)晶體管的芯片】一枚華為麒麟990芯片，由103億顆晶體管組成。如果放大看芯片的層級(jí)結(jié)構(gòu)，排列布局起起落落，宛若一座城市。

　　毋庸置疑，將幾百上千億顆比細(xì)胞還小的晶體管塞進(jìn)芯片里，是一個(gè)極端復(fù)雜且耗資巨大的工程難題，甚至曾被描述為“世界上最困難和精密度最高的制造過(guò)程”。而臺(tái)積電與英特爾財(cái)報(bào)上每年投入到新晶圓廠建設(shè)的數(shù)百億美元，則證實(shí)了一切。

　　就是在2022年各國(guó)百億晶圓廠計(jì)劃浩浩蕩蕩推進(jìn)之時(shí)，一個(gè)22歲的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)電子工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生，則在家里的地下車(chē)庫(kù)里，“初步”完成了屬于自己的半導(dǎo)體制造宏圖——

　　成功設(shè)計(jì)并制造出了一枚相當(dāng)于20世紀(jì)60~70年代水平的硅芯片。

　　這個(gè)叫山姆·齊魯夫（Sam Zeloof ）的大四學(xué)生，2021年8月在家里，成功 DIY 出自己的第二枚自制電腦芯片Z2。也正因如此，著名雜志 Wired 對(duì)其進(jìn)行了報(bào)道。

　　不過(guò)，這枚芯片只附著了1200個(gè)晶體管的芯片，與當(dāng)下的高端工藝差了至少50年的技術(shù)水平。但齊魯夫開(kāi)了個(gè)玩笑：“比起2018年制造的Z1，這枚Z2的晶體管數(shù)量增長(zhǎng)速度，絕對(duì)超過(guò)了摩爾定律。”

　　可以非常肯定的是，一個(gè)年輕男孩完整復(fù)刻出半導(dǎo)體整個(gè)生產(chǎn)制造流程，雖然聽(tīng)起來(lái)非常了不起，但多多少少都會(huì)有噱頭成分在里面——畢竟不能大規(guī)模生產(chǎn)，而且性能落后；

　　但同時(shí)，很多細(xì)節(jié)卻顯示，這其中并非沒(méi)有商業(yè)層面的借鑒價(jià)值，更不必說(shuō)齊魯夫的成功，在教育與科研層面，也有非常明確的借鑒意義。

　　　　“大跌眼鏡”的成本與創(chuàng)新

　　非常有趣，齊魯夫從2016年受到一些半導(dǎo)體DIY視頻的啟發(fā)，開(kāi)始在博客上寫(xiě)下自己的芯片制造目標(biāo)時(shí)，很多半導(dǎo)體人便給他發(fā)過(guò)郵件——“這真的不可能”。

　　Wired 援引一位曾被他父親請(qǐng)到家里來(lái)檢查安全問(wèn)題的資深工程師的話就是——“你應(yīng)該做不到，沒(méi)人會(huì)做到”。但后來(lái)看到他一點(diǎn)一點(diǎn)的進(jìn)步，他改口為：“他的確做了一些我從未想過(guò)有人會(huì)做的事情”。

　　而齊魯夫應(yīng)對(duì)反對(duì)聲的表現(xiàn)也很有意思：“我只是覺(jué)得DIY芯片很有趣。當(dāng)我們聽(tīng)到‘不可能’的時(shí)候…我們應(yīng)該更加小心謹(jǐn)慎地去做。”

　　實(shí)際上，20世紀(jì)60~70年代半導(dǎo)體與集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，很多實(shí)驗(yàn)室與初創(chuàng)公司里的芯片，都是被“手工”制造出來(lái)的。因此，對(duì)于齊魯夫來(lái)說(shuō)，他需要具備不僅僅是學(xué)校教給自己的電子工程學(xué)知識(shí)，更重要的是60年前的歷史經(jīng)驗(yàn)。

　　因此，他閱讀了上世紀(jì)70年代所有相關(guān)專(zhuān)利與教科書(shū)，意識(shí)到制造出第一枚商用集成電路的仙童半導(dǎo)體，便是在普通工作臺(tái)上制造芯片——用干凈的車(chē)庫(kù)，代替高于1000級(jí)的無(wú)塵潔凈室；用刀片、膠帶與燒杯，替代上千萬(wàn)美元的儀器。

　　各種化學(xué)溶劑的瓶瓶罐罐。他把芯片浸在氫氧化物溶液里，溶解掉硅片上的光刻膠。

　　即便不熟悉半導(dǎo)體制造流程，但這幾年借華為與英偉達(dá)之勢(shì)，你多多少少也能被網(wǎng)絡(luò)上瘋狂轟炸的半導(dǎo)體知識(shí)給普及一二。而在芯片制造流程的七大生產(chǎn)區(qū)域——擴(kuò)散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長(zhǎng)、拋光、金屬化中，“光刻”和“刻蝕”無(wú)疑是最核心的兩步。

　　然而，動(dòng)輒上億美元的光刻機(jī)等精密儀器，絕對(duì)不可能出現(xiàn)在一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)陋的地下車(chē)庫(kù)中；此外，這些精密儀器也具有相當(dāng)程度的操作門(mén)檻。

　　但你絕對(duì)想不到的是，根據(jù)網(wǎng)友對(duì)齊魯夫公開(kāi)視頻（有興趣可以去看Youtube，他拍下了整個(gè)過(guò)程）和資料中的儀器價(jià)值測(cè)算，總成本應(yīng)該不會(huì)超2萬(wàn)美元。

　　“光刻”的基本原理其實(shí)相對(duì)簡(jiǎn)單：先將光敏材料涂在硅片上；然后用一個(gè)類(lèi)似投影儀的設(shè)備，將設(shè)計(jì)模板投射在上面，然后再通過(guò)一系列步驟溶解掉多余的地方。因此，他解決光刻的方法堪稱“知識(shí)遷移鬼才”——

　　他在亞馬遜網(wǎng)站上買(mǎi)了一個(gè)會(huì)議室投影儀，改裝后安裝在顯微鏡上，組成一臺(tái)簡(jiǎn)易“光刻機(jī)”。

　　將自己的設(shè)計(jì)通過(guò)光學(xué)原理微縮到合適的尺寸，投射在自己手工切割的每塊約為半英寸的多晶硅片上，而這枚硅片抹上了對(duì)紫外線敏感的材料。

　　再將自制光刻機(jī)將光束投射到“設(shè)計(jì)”上：一個(gè)由12個(gè)電路組成的柵格，每個(gè)電路有100個(gè)晶體管，共計(jì)1200個(gè)。

　　而“刻蝕”步驟，很像是一節(jié)大學(xué)里的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課：用酸（各種溶劑）腐蝕每塊芯片，再將它扔進(jìn)在1000攝氏度左右的爐子里烘烤，以調(diào)整電導(dǎo)率，然后送入真空室做進(jìn)一步處理。

　　以上的步驟來(lái)來(lái)回回捯飭三輪，才能結(jié)束芯片的關(guān)鍵制作步驟。

　　旋涂光刻膠，烘烤、然后曝光顯影，中間用到各種化學(xué)試劑與儀器。來(lái)回幾次再放入真空室做蒸發(fā)、濺射。

　　但Wired認(rèn)為，即便是在當(dāng)下，巨型晶圓廠以大致相似的基礎(chǔ)方式生產(chǎn)芯片——在設(shè)計(jì)的不同部分使用一系列步驟添加和移除材料。只是復(fù)雜度和成本比齊魯夫的手工作坊要高出幾千倍。

　　有趣的是，除了“光刻機(jī)”與“刻蝕機(jī)”，齊魯夫幾乎所有的設(shè)備都是從eBay和其他拍賣(mài)網(wǎng)站上淘的科技破爛——它們多是由一些上世紀(jì)就倒閉的硅谷科技公司生產(chǎn)，如今已經(jīng)十分廉價(jià)且都需要深度修理。

　　“他最好的發(fā)現(xiàn)之一，就是那臺(tái)雖然壞掉，但90年代售價(jià)高達(dá)25萬(wàn)美元的電子顯微鏡，他只花了1000美元買(mǎi)下來(lái)并完成了修復(fù)。” 這臺(tái)機(jī)器的主要作用是檢查芯片缺陷，不要小看這臺(tái)上世紀(jì)的機(jī)器，它甚至還能觀察蝴蝶翅膀的納米結(jié)構(gòu)。

　　就是在這樣成本極低的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與軟硬件處理下，齊魯夫的第二代芯片 Z2，最終在一臺(tái)20年前生產(chǎn)的惠普分析儀器上，跑出了漂亮的電流電壓曲線——這代表著一枚簡(jiǎn)易芯片短暫擁有了生命。

　　　　齊魯夫認(rèn)為分析儀顯示的結(jié)果比較理想

　　　　事實(shí)上，所有人都會(huì)看到這件事的表層意義——

　　太過(guò)優(yōu)秀的動(dòng)手能力、執(zhí)行力以及一種獨(dú)屬于年輕人的不服與自信。齊魯夫取得的成果，足以讓那些總是抱怨學(xué)校里不能提供先進(jìn)儀器的工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生感到羞愧。

　　就像一位開(kāi)發(fā)者評(píng)價(jià)齊魯夫的執(zhí)行力所贊賞的：“讓我印象深刻的，是他如何來(lái)驅(qū)動(dòng)這個(gè)愛(ài)好。當(dāng)我18歲的時(shí)候，我有很多興趣愛(ài)好，但是我很少完成我想做的事情，而學(xué)習(xí)，則是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)。”

　　此外，齊魯夫也憑借真實(shí)可確認(rèn)的視頻資料，在網(wǎng)上獲得了一群70年代半導(dǎo)體老人的鼓勵(lì)與支持。

　　但實(shí)際上，齊魯夫的想法比較簡(jiǎn)單：他覺(jué)得有意思，所以就動(dòng)手做了（動(dòng)手改造是他的習(xí)慣——在2020年，他還把一臺(tái)寶麗來(lái)膠卷機(jī)，改造成數(shù)碼相機(jī)）；此外，他想以此證明給整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一個(gè)有時(shí)會(huì)故意忽略的事實(shí)：

　　并不是要有數(shù)百萬(wàn)美元的預(yù)算，才能成為一個(gè)發(fā)明者或創(chuàng)新者。這會(huì)趕走太多對(duì)半導(dǎo)體感興趣但又驚呼門(mén)檻太高的年輕人。

　　當(dāng)然，他做的這些芯片絕對(duì)不可能裝進(jìn)你的手機(jī)與服務(wù)器；但這種行為，卻恰恰是開(kāi)源與人類(lèi)科學(xué)的目標(biāo)——每個(gè)人都可以通過(guò)復(fù)制來(lái)改善整體結(jié)果，促進(jìn)共同利益。

　　齊魯夫也曾改造過(guò)相機(jī)：左邊為膠卷機(jī)照片，右邊是齊魯夫改造為數(shù)碼相機(jī)后拍攝的照片。圖片來(lái)自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)

　　另外，從商業(yè)市場(chǎng)角度來(lái)看，齊魯夫的行為和結(jié)果能夠證明：高質(zhì)量的實(shí)操制造，對(duì)某些種類(lèi)芯片（譬如ASIC）的小規(guī)模生產(chǎn)與運(yùn)行會(huì)具備很高的價(jià)值。

　　通常來(lái)講在半導(dǎo)體市場(chǎng)，只有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)制造，才能降低成本獲得足夠的利潤(rùn)；在現(xiàn)代工藝中，實(shí)現(xiàn)規(guī)�；�比性能更重要。

　　然而，齊魯夫告訴我們，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展近100年的當(dāng)下，現(xiàn)有開(kāi)放的軟硬件工具已經(jīng)能夠滿足一些企業(yè)在保證成本的前提下，實(shí)現(xiàn)小規(guī)模生產(chǎn)制造；而很多上世紀(jì)老舊的技術(shù)，并非完全沒(méi)有了可取之處。

　　　　不可忽略的問(wèn)題

　　我們發(fā)現(xiàn)，Wired對(duì)齊魯夫的報(bào)道中，有些用詞非常符合歐美文化視角。譬如，他們強(qiáng)調(diào)齊魯夫工作的“車(chē)庫(kù)”，是歸他父母所有的。而齊魯夫是一名讀大四的年輕人。

　　沒(méi)錯(cuò)，這也是網(wǎng)上對(duì)齊魯夫在車(chē)庫(kù)造出芯片后引發(fā)的最大爭(zhēng)論點(diǎn)——媒體僅僅說(shuō)出了他的聰明才智，他制造芯片的過(guò)程，他取得的最終成功，但卻忽略了他做出這些成績(jī)背后的隱晦附加條件。

　　譬如他的家庭，他的社交環(huán)境，都是一些隱藏資源。

　　一位網(wǎng)友毫不留情地批評(píng)大眾對(duì)齊魯夫的行為吹捧過(guò)剩——這只不過(guò)是講了一個(gè)聰明的富家子弟創(chuàng)新故事。他做的芯片跟現(xiàn)在的東西相比，沒(méi)有任何用處。

　　“看看他的車(chē)庫(kù)實(shí)驗(yàn)室，什么樣的高中生或大學(xué)生能拿著數(shù)千美元買(mǎi)設(shè)備？在他這個(gè)年紀(jì)，我肯定沒(méi)有這些資源做任何事情。此外，有99.99% 的可能性是他的親人擁有物理或工程相關(guān)的學(xué)位。”

　　這個(gè)說(shuō)法恰好切中了一些事實(shí)。

　　齊魯夫的父親是一名經(jīng)營(yíng)賽車(chē)零部件車(chē)間的工業(yè)設(shè)計(jì)師，他的哥哥則是一名機(jī)器人工程師，這種家庭氛圍下很難不從小接觸大量工程學(xué)知識(shí)與動(dòng)手機(jī)會(huì)。

　　此外我們也不能忽視，為車(chē)庫(kù)實(shí)驗(yàn)室做安全檢查的那位工齡超過(guò)40年的半導(dǎo)體資深工程師，是齊魯夫父親請(qǐng)來(lái)的。

　　因此，他的成功有跡可循——雖然個(gè)人的聰明才智占據(jù)很大一部分，但并非真正的從零開(kāi)始。

　　這也印證了紐約客資深撰稿人馬爾科姆·格拉德威爾在2008年出版的轟動(dòng)一時(shí)的《異類(lèi)》中想證明的：

　　“那些變得卓爾不群的人看似靠個(gè)人奮斗，其實(shí)不然。事實(shí)上，它們一直得益于某些隱秘的先天優(yōu)勢(shì)，或是非凡的機(jī)緣，亦或某一文化的特殊優(yōu)勢(shì)。

　　就像生物學(xué)家討論生物體時(shí)常涉及的“生態(tài)學(xué)”：人們通常只想到杰出人士是最優(yōu)質(zhì)的種子，但很少想到成材還必須有充足的光照，深厚肥沃的土壤，以及足夠運(yùn)氣躲過(guò)兔子和伐木工人。”

　　其實(shí)齊魯夫也隨口提過(guò)，自己做這個(gè)DIY試驗(yàn)，是想進(jìn)一步驗(yàn)證DIY制造到底在現(xiàn)代科技生態(tài)系統(tǒng)中處于什么地位——

　　在2022年的節(jié)點(diǎn)上，機(jī)器人設(shè)備與3D打印機(jī)太容易買(mǎi)到且不是太貴；而他用到的開(kāi)源電子軟硬件平臺(tái) Arduino 與小型單板計(jì)算機(jī)樹(shù)莓派（Raspberry Pi）都是在2005年之后才出現(xiàn)的。所以，70年代的技術(shù)在當(dāng)下被一個(gè)大學(xué)生驗(yàn)證，似乎就變得沒(méi)那么難以想象了。

　　換言之，與其說(shuō)非凡的成就取決于天賦，不如說(shuō)取決于機(jī)遇。

　　因此，這個(gè)最大的爭(zhēng)議，也引發(fā)了很多外國(guó)教育界網(wǎng)友的呼吁：如果讓更多家庭、社會(huì)條件沒(méi)那么好的年輕人獲得同等資源、時(shí)間與指導(dǎo)，那么就更有利于普遍性技術(shù)創(chuàng)新，而這就一定需要國(guó)家的立法、政策指導(dǎo)的支持（可能也是因?yàn)榘雽?dǎo)體在國(guó)外已經(jīng)是成熟到被忽視的產(chǎn)業(yè)了，直到近幾年）。

　　而這一點(diǎn)，從當(dāng)下趨勢(shì)來(lái)看，其實(shí)國(guó)內(nèi)做的比國(guó)外要好很多。

　　但相對(duì)來(lái)看，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)獲得了國(guó)家與大眾輿論的鼎力支持，但似乎在家庭教育與中高等教育理念與體系上有待進(jìn)步。

　　寫(xiě)在最后：

　　齊魯夫的成功，必然有“擁有其他人所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)”加持。但他對(duì)科技的執(zhí)著與創(chuàng)造力，也無(wú)疑鼓勵(lì)了很多熱愛(ài)科學(xué)且具備創(chuàng)新熱情的年輕人。

　　“我認(rèn)為他給我的啟示是，這個(gè)難題的答案是我們可以觸及到的，這就行了。這對(duì)下一代積累科學(xué)背景與知識(shí)是極其有用的，并最終創(chuàng)造出對(duì)更多人有用的東西，就像樹(shù)莓派一樣，一代又一代傳承下去。”

　　一位正在讀大學(xué)的工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生，絲毫不在意所謂的隱性優(yōu)勢(shì)：

　　“愛(ài)好真的是很有用的！這本身就是一種偉大的學(xué)習(xí)！即便敲不開(kāi)這扇門(mén)，也可能敲開(kāi)其他意想不到的大門(mén)。

　　而這些愛(ài)好，到底花費(fèi)1美元還是1000美元，齊魯夫證明了，這個(gè)問(wèn)題完全不重要。”

　　最后，想給讀者留下一個(gè)問(wèn)題：

　　如果齊魯夫的故事發(fā)生在國(guó)內(nèi)，那么會(huì)有什么樣的評(píng)論與故事走向？