Chàng trai 22 tuổi xây dựng vi mạch trong gara của bố mẹ

Trong tháng Tám, công ty sản xuất vi mạch Intel đã tiết lộ thông tin mới về kế hoạch xây dựng một “siêu nhà máy” trên đất Mỹ, một nhà máy trị giá 100 tỷ đô la nơi 10,000 công nhân sẽ sản xuất thế hệ vi xử lý mạnh mẽ mới với hàng tỉ bóng bán dẫn. Cùng tháng đó, Sam Zeloof, 22 tuổi, công bố cột mốc bán dẫn của riêng mình. Anh đã đạt được mục tiêu một mình tại gara của gia đình ở New Jersey, khoảng 30 dặm từ nơi bóng bán dẫn đầu tiên được sản xuất tại Bell Labs vào năm 1947.

Với bộ sưu tập thiết bị được cứu chữa và tự làm, Zeloof đã tạo ra một vi mạch có 1,200 bóng bán dẫn. Anh đã cắt lát lớp bán dẫn, tạo mẫu chúng với các thiết kế vi mô bằng ánh sáng tử ngoại và ngâm chúng trong axit bằng tay, ghi lại quá trình trên YouTube và blog cá nhân. “Có lẽ đó là sự tự tin quá mức, nhưng tôi có tư duy rằng con người khác đã tìm ra, vì vậy tôi cũng có thể, ngay cả khi có lẽ mất thời gian hơn,” anh nói.

Vi mạch thứ hai của Zeloof làm ra sau vi mạch đầu tiên của anh, nhỏ hơn nhiều khi anh là học sinh cấp ba vào năm 2018; anh bắt đầu tạo ra các bóng bán dẫn riêng vào một năm trước đó. Vi mạch của anh vẫn kém hẳn so với Intel về công nghệ, nhưng Zeloof cho rằng chỉ một nửa nghiêm túc rằng anh đang tiến triển nhanh hơn ngành công nghiệp bán dẫn trong những ngày đầu của nó. Vi mạch thứ hai của anh có 200 lần số bóng bán dẫn so với vi mạch đầu tiên, một tốc độ tăng trưởng vượt xa Luật Moore, một quy tắc thô sơ được Intel đặt ra rằng số bóng bán dẫn trên một vi mạch tăng gấp đôi khoảng mỗi hai năm.

Hiện tại, Zeloof hy vọng có thể sánh ngang với vi mạch 4004 của Intel năm 1971, vi mạch vi xử lý micro thương mại đầu tiên, có 2,300 bóng bán dẫn và được sử dụng trong máy tính cầm tay và các máy công nghiệp khác. Vào tháng 12, anh bắt đầu làm việc vào một mạch điện tạm thời có thể thực hiện phép cộng đơn giản.

Bên ngoài gara của Zeloof, đại dịch đã gây ra sự khan hiếm bán dẫn toàn cầu, làm giảm cung cấp sản phẩm từ ô tô đến máy chơi game. Điều đó đã tạo động lực mới từ các nhà làm chính sách về việc tái thiết lập khả năng sản xuất vi mạch máy tính của Mỹ, sau nhiều thập kỷ sản xuất ở nước ngoài.

Các vi mạch được tạo ra trong gara không thể làm việc cho PlayStation của bạn, nhưng Zeloof nói rằng sở thích đặc biệt của anh đã thuyết phục anh rằng xã hội sẽ có lợi từ việc làm vi mạch trở nên dễ tiếp cận hơn đối với những nhà phát minh không có ngân sách hàng triệu đô la. “Ngưỡng cửa rất cao sẽ khiến bạn cảm thấy rất sợ rủi ro, và điều đó là xấu cho sự đổi mới,” Zeloof nói.

Zeloof bắt đầu trên con đường tạo ra vi mạch của riêng mình khi còn là học sinh cấp ba, vào năm 2016. Anh ấy được ấn tượng bởi những video trên YouTube từ nhà phát minh và doanh nhân Jeri Ellsworth trong đó cô ấy tạo ra những bóng bán dẫn tự làm của mình, có kích thước nhỏ như ngón tay, trong một quá trình bao gồm các khuôn mẫu được cắt từ decal vinyl và một chai thuốc tẩy gỉ. Zeloof quyết định tái tạo dự án của Ellsworth và đi đến bước tiếp theo có vẻ hợp lý: từ bóng bán dẫn đơn lẻ đến mạch tích hợp, một bước nhảy mà lịch sử mất khoảng một thập kỷ. “Anh ta đã đưa nó một bước nhảy lượng tử hơn,” Ellsworth nói, hiện là CEO của một startup thực tế tăng cường gọi là Tilt Five. “Việc nhắc nhở thế giới rằng những ngành công nghiệp này dường như rất xa xôi đã bắt đầu từ một nơi khiêm tốn hơn, và bạn có thể tự làm được điều đó.”

Quá trình sản xuất vi mạch máy tính đôi khi được mô tả là quy trình sản xuất chính xác và khó khăn nhất trên thế giới. Khi Zeloof bắt đầu viết blog về mục tiêu của dự án, một số chuyên gia trong ngành đã gửi email cho anh nói rằng điều đó là không thể. “Lý do tôi làm là vì thực sự tôi nghĩ nó sẽ là điều hài hước,” anh nói. “Tôi muốn tạo ra một tuyên bố rằng chúng ta nên cẩn thận hơn khi nghe rằng một điều gì đó là không thể.”

Gia đình của Zeloof đã ủng hộ nhưng cũng thận trọng. Cha anh đã hỏi một kỹ sư bán dẫn anh biết để đưa ra một số lời khuyên an toàn. “Phản ứng đầu tiên của tôi là bạn không thể làm được. Đây là một gara,” Mark Rothman nói, đã dành 40 năm trong ngành kỹ thuật vi mạch và hiện đang làm việc tại một công ty sản xuất công nghệ cho màn hình OLED. Phản ứng ban đầu của Rothman đã mềm đi khi anh nhìn thấy tiến triển của Zeloof. “Anh ấy đã làm những điều mà tôi không bao giờ nghĩ người ta có thể làm được.”

Dự án của Zeloof liên quan đến cả lịch sử và kỹ thuật. Quá trình sản xuất vi mạch hiện đại diễn ra trong các cơ sở với hệ thống HVAC đắt tiền loại bỏ mọi vết bụi có thể gây phiền toái cho hàng tỷ đô la máy móc của họ. Zeloof không thể sánh kỹ thuật đó, vì vậy anh đọc các bằng sáng chế và sách giáo khoa từ những năm 1960 và 1970, khi các kỹ sư tại các công ty tiên phong như Fairchild Semiconductor sản xuất vi mạch trên bàn làm việc thông thường. “Họ mô tả các phương pháp sử dụng lưỡi dao X-Acto và băng dính và vài ống nghiệm, không phải ‘Chúng tôi có máy trị giá 10 triệu đô la có kích thước như một căn phòng,’” Zeloof nói.

Zeloof cũng phải trang bị phòng thí nghiệm của mình với các thiết bị cổ điển. Trên eBay và các trang đấu giá khác, anh tìm thấy nguồn cung cấp thiết bị vi mạch giá rẻ từ những năm 1970 và 1980 từ các công ty công nghệ California đã đóng cửa từ lâu. Nhiều thiết bị cần sửa chữa, nhưng máy móc cũ dễ dàng để sửa chữa hơn so với các thiết bị phòng thí nghiệm hiện đại. Một trong những phát hiện tốt nhất của Zeloof là một kính hiển vi điện tử hỏng mất 250,000 đô la vào đầu những năm 1990; anh mua nó với giá 1,000 đô la và sửa chữa. Anh sử dụng nó để kiểm tra vi mạch của mình cho lỗi, cũng như các cấu trúc nano trên cánh bướm.

Đôi khi, Zeloof đã phải sáng tạo. Như trong một nhà máy vi mạch thực sự, anh muốn chuyển những thiết kế chi tiết với tỷ lệ vi mô của mình vào các thiết bị bằng quá trình gọi là photolithography. Quá trình này bao gồm việc phủ một vi mạch trong vật liệu nhạy ánh sáng và sử dụng một thiết bị giống như máy chiếu cực kỳ chính xác để in một khuôn mẫu sẽ hướng dẫn các bước xử lý tiếp theo. Máy photolithography rất đắt tiền—lên đến 150 triệu đô la—vì vậy Zeloof đã tự làm bằng cách gắn một máy chiếu phòng họp được sửa đổi mua trên Amazon vào một kính hiển vi. Nó chiếu thiết kế của anh ở tỷ lệ nhỏ trên các lớp silic đươc Zeloof phủ với vật liệu nhạy ánh sáng tử ngoại.

Vào năm 2018, Zeloof thiết kế vi mạch đầu tiên của mình, một bộ khuếch đại đơn giản với sáu bóng bán dẫn, trong giờ thể dục sau khi một giáo viên thay thế yêu cầu học sinh làm việc trong lớp. Sau khoảng 12 giờ làm việc và 66 bước trong gara, anh có Z1. Nó có ba chú gấu nhảy múa là biểu tượng của Grateful Dead và bây giờ xuất hiện trên tất cả các vi mạch của Zeloof, như một lời cảm ơn đến Rothman, một fan của ban nhạc.

Z1 sử dụng bóng bán dẫn mà Zeloof gọi là “nguyên nguyên từ những năm 1970,” với các đặc tính nhỏ nhất là 175 micron, tương đương khoảng bằng một sợi tóc. Anh đưa vi mạch vào một bo mạch in flash một đèn LED duy nhất và một bộ pedal biến âm thanh của đàn guitar.

Cuối năm 2018, Zeloof bắt đầu học tại Đại học Carnegie Mellon, sửa chữa các thiết bị vi mạch trong gara trong phòng ký túc xá trong khi học ngành kỹ thuật điện. Mặc dù anh nói rằng anh tuân theo các quy định an toàn, nhưng trường đại học đã phản đối việc anh có máy X-quang trong phòng ký túc xá của mình. Trong những chuyến về nhà, anh nâng cấp trang thiết bị của mình để chuẩn bị cho vi mạch thứ hai của mình, Z2. Nó sử dụng một thiết kế bóng bán dẫn chuyển mạch nhanh hơn dựa trên các lớp polysilicon thuộc loại tinh thể silic từng trở nên thống trị vào những năm 1970.

Zeloof đã quay các viên polysilicon cắt bằng tay, mỗi viên cạnh nửa inch, trên một chiếc đĩa quay tự chế nhỏ với tốc độ 4.000 vòng mỗi phút để phủ vật liệu nhạy ánh sáng cần thiết để chuyển thiết kế của mình lên bề mặt. Sau đó, máy photolithography tự chế của anh chiếu thiết kế của anh: một lưới gồm 12 mạch, mỗi mạch có 100 bóng bán dẫn (và một chú gấu nhảy múa), tổng cộng 1.200 bóng bán dẫn.

Mỗi vi mạch sau đó được ets xì mạ và nung trong lò ở khoảng 1.000 độ C để nung thêm nguyên tử phosphorus để điều chỉnh độ dẫn điện của nó. Ba vòng đi qua máy photolithography tự chế nữa - phân tách bởi các bước bao gồm thời gian trong một buồng hút chân không đầy plasma màu tím sáng để ets polysilicon - hoàn thành từng vi mạch. Nhà máy hiện đại ngày nay sản xuất vi mạch theo cách tương tự, sử dụng một chuỗi bước để từ từ thêm và loại bỏ vật liệu ở các phần khác nhau của một thiết kế. Những vi mạch đó phức tạp hơn nhiều, với hàng tỷ bóng bán dẫn nhỏ hơn được sắp xếp chật chội với nhau, và các bước được thực hiện bằng máy chứ không phải bằng tay. Các bóng bán dẫn trên vi mạch thế hệ thứ hai của Zeloof nhanh khoảng 10 lần so với vi mạch đầu tiên của anh và có đặc tính nhỏ hơn khoảng 10 micron, không lớn hơn nhiều so với một tế bào máu đỏ.

Vào tháng 8, Zeloof đã kiểm tra Z2 bằng cách kết nối nó với một bộ phân tích bán dẫn hình hộp màu be vàng được Hewlett Packard phát hành khoảng hai thập kỷ trước khi anh sinh ra. Một loạt các đường cong dòng điện-điện áp mượt trên màn hình màu xanh sáng của nó là dấu hiệu thành công. “Đường cong đó thật tuyệt vời khi nhìn vào,” Zeloof nói, “đó là dấu hiệu đầu tiên của sự sống sau khi bạn dành cả ngày đắm mình trong việc nhúng mảnh tinh thể nhỏ này vào các ống nghiệm chứa hóa chất.”

Làm thế nào để kỷ niệm khi vi mạch tự chế của bạn hoạt động? “Tweet nó đi!” Zeloof nói. Dự án của anh đã thu hút một lượng người theo dõi trên Twitter và hàng triệu lượt xem trên YouTube, cũng như một số mẹo hữu ích từ những người đi trước trong ngành công nghiệp bán dẫn thập niên 1970.

Zeloof nói rằng anh không chắc chắn anh muốn làm gì sau khi tốt nghiệp vào mùa xuân này, nhưng anh đã suy nghĩ về nơi DIY chipmaking có thể đứng trong hệ sinh thái công nghệ hiện đại. Theo nhiều cách, thử nghiệm DIY chưa bao giờ mạnh mẽ hơn: Trang thiết bị robot và máy in 3D dễ dàng mua được, và phần cứng thân thiện với hacker như vi điều khiển Arduino và Raspberry Pi đã được củng cố. “Nhưng các vi mạch vẫn được sản xuất tại một nhà máy lớn nào đó,” Zeloof nói. “Chưa có nhiều tiến triển để làm cho điều đó trở nên có thể tiếp cận hơn.”

Ellsworth, người đã truyền cảm hứng cho Zeloof từ những bóng bán dẫn tự làm, nói rằng có thể có giá trị trong việc tạo điều kiện cho việc sản xuất vi mạch thủ công chất lượng cao. “Các công cụ chúng ta có hôm nay có thể đưa điều này vào tầm với của các hoạt động quy mô nhỏ, và đối với một số vấn đề, tôi nghĩ điều này rất có ý nghĩa,” cô nói. Ellsworth nói rằng công nghệ vi mạch được coi là lỗi thời đối với các nhà máy lớn vẫn có thể hữu ích cho các kỹ sư.

Gần đây, Zeloof nâng cấp máy photolithography của mình để in chi tiết nhỏ đến khoảng 0,3 micron, hoặc 300 nanomet, xấp xỉ với ngành công nghiệp vi mạch thương mại vào giữa những năm 90. Bây giờ, anh đang suy nghĩ về các chức năng mà anh có thể xây dựng vào một vi mạch với quy mô như chip lịch sử 4004 của Intel. “Tôi muốn đẩy mạnh vi mạch silicon gara hơn nữa và mở mang tư duy của mọi người về khả năng chúng ta có thể thực hiện một số công việc này tại nhà,” anh nói.

Thêm những bài viết tuyệt vời từ MYTOUR

• 📩 Cập nhật mới nhất về công nghệ, khoa học và nhiều hơn nữa: Nhận bản tin của chúng tôi!
• Đua nhau tìm hiểu về helium 'xanh'
• COVID sẽ trở thành bệnh thường trú. Điều gì sẽ xảy ra?
• Sau một năm, chính sách Trung Quốc của Biden trông giống hệt của Trump
• 18 chương trình truyền hình mà chúng tôi đang mong đợi trong năm 202
• Cách bảo vệ chống lại các cuộc tấn công smishing
• 👁️ Khám phá trí tuệ nhân tạo như chưa bao giờ bằng cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• 📱 Lưỡng lự giữa những chiếc điện thoại mới nhất? Đừng lo lắng - hãy xem hướng dẫn mua iPhone của chúng tôi và những chiếc điện thoại Android yêu thích