如何把一塊石頭變成CPU?國外小伙稱自己將解決全球芯片荒

國外的一個小伙看后馬上踏上了自己製造CPU的旅程。
小伙誇下海口,我能用石頭做!
從一顆石頭開始製作CPU,想法來自小伙對時代的思考:為什隨着高科技不斷湧現,我們卻失去了創造事物的能力?

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CPU是拿什麼做的?

答案只有一個字:

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硅從哪裡來?

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行了,就兩個重點:岩石、高溫。

但是CPU被稱為“世界上唯一無法山寨的東西”,製造過程代表當今世界科技發展的最高水平,製造過程包含選取原料沙子(石英)、提純成硅錠、晶圓、光刻、蝕刻、離子注入、金屬沉積、金屬層、互連、晶圓測試與切割、核心封裝、等級測試等基本步驟,真能被複刻出來?

且不論現在的納米級CPU,只要小伙能造出來,我就敬上一聲大佬!

但是到底是怎麼做的呢,似乎他真的想把我們教會。

第一步、從撿石頭開始。

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第二步、砸石頭。

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第三步、不停地砸,終於你將擁有一份 98% 濃度的二氧化硅。

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這還不夠,還要提純,只有當硅被純化到純度為99.9999999%時,它才真正現出原形。

這是99.9%純度的二氧化硅,看上去像酸奶質地。

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再純!再純!純至99.9999999%的多晶硅金屬,變成了一塊銀晃晃的東西–硅錠。

但此時的硅錠還是多晶態形式,變成單晶態才能用。

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下一步就是將多晶硅錠放入坩堝中,將硅錠加熱至 1698 °K。

隨後,小伙取出一顆單晶“種子”,把它浸到熔融硅的大桶中。

在這個過程中,多晶硅體圍着這顆單晶種生長,直到形成一個幾近完美的單晶硅。簡直就是“先富帶動后富”的典型啊!

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隨後慢慢把晶體拉出來,等待冷卻后,一個純硅單晶出爐!噹噹噹噹~

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看這擺盤!

第一階段– 硅提純收工!開始第二階段:切割芯片基座–晶圓

所謂的“切割晶圓”也就是從單晶硅棒上切割下一片事先確定規格的硅晶片,並將其劃分成多個細小的區域,每個區域都將成為一個CPU的內核。一般來說,晶圓切得越薄,相同量的硅材料能夠製造的CPU成品就越多。

切割出的晶圓經過拋光后變得幾乎完美無瑕,已經能清晰地照出貓咪的樣子!

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那麼現在,就有了最原始的新切割硅片。

之後再選擇性地用硼、磷或者其他摻雜劑摻雜。

小伙表示,為了省錢,打算再開一條生產線,在火柴上發揮想象力。

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接下來,將開始最精細的第三階段:光刻

先在晶圓上塗上光阻(Photoresist)劑,然後取一個帶有所需電路圖案的鉻蝕刻石英掩模,用激光束照射,將電路圖案投射到晶圓上。

此時,光罩產生的陰影位置將控制光刻膠在硅片表面發生化學變化的位置,當然,這取決於使用的是正性還是負性光阻劑。

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然後,倒上顯影液。等待一會後再酸蝕晶片的暴露部分。

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儘管小伙的步驟相當簡單,但是光刻的工作屬於芯片製造中最關鍵的一環!一言以蔽之,光刻目的即改變晶圓的區域導電狀態!

其中,蝕刻技術把對光的應用推向了極限。蝕刻使用的是波長很短的紫外光並配合很大的鏡頭。短波長的光將透過這些石英遮罩的孔照在光敏抗蝕膜上,使之曝光。接下來停止光照並移除遮罩,使用特定的化學溶液清洗掉被曝光的光敏抗蝕膜,以及在下面緊貼着抗蝕膜的一層硅。

然後,曝光的硅將被原子轟擊,使得暴露的硅基片局部摻雜,從而改變這些區域的導電狀態,以製造出N井或P井,結合上面製造的基片,CPU的門電路就完成了。

這些工作完成後,就是無數次的重複操作:同質外延、異質外延、偽外延、擴散摻雜、銅互連層、化學機械拋光、光刻膠應用、酸蝕刻和光掩模曝光,從而在晶片上建立所需的特徵。

也就是長這樣–

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光打過去,光線在穿過芯片內的透明氧化層時發生薄膜干涉和衍射,你看到的晶圓上的圖案,就來自嵌入芯片內的金屬互連層上的光反射。此時的晶圓還會閃耀着五彩斑斕的彩虹色,意味着現在你得到了一個完整的硅片!

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要知道,CPU的所有魔法就發生在硅芯片表面的這層薄層中!厚度僅為微米量級,但其本身由許多納米量級的更小薄層組成。

然後,開始了第四階段:封裝

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這些未封裝的硅片,要先定位硅芯片上的焊盤,並連接鍵合線。

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這些小點就是電線連接點

然後,使用粘合線或焊錫球,在芯片封裝上的引腳和硅片上的焊盤之間搭好“電氣連接”。

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終於,一塊可以使用的CPU製做完成!

顯然,製造一塊現代 CPU 的過程要比小伙演示的更複雜。其中有許多精密技術小伙甚至沒提到,比如光阻劑和顯影液的化學成分、濃度、在晶圓上構建特徵的方式等等。

這些都是大公司專利,不可能在 HackerNews 、Reddit 或者YouTube上搜得到。

但小伙說到,雖然業餘愛好者不太可能自己造出尖端的納米級芯片,但微米級的還是可行的。YouTube上另一小伙Sam Zeloof 確實試過。

YouTube地址:https://www.youtube.com/c/SamZeloof/videos

最後,小伙不忘提醒大家,視頻中的“光刻膠”和“顯影劑”只是彩色道具,真化學品可是相當危險,普通房子做實驗室根本不行,還得以安全第一。

視頻結束,雖然小伙只是演示了一遍芯片製造流程,但還是要尊稱一聲大佬!因為在芯片之外,我們確實還有很多想要求解的問題:為什麼隨着高科技不斷湧現,我們卻失去了創造事物的能力?

但似乎,我們並沒有失去創造力,而是變得更加急功近利。伴隨着數字化生存,信息供給遠遠超過信息需求,人們渴求更快、更全面、更準確地處理信息,“使用力”漸漸比“創造力”更加“有用”。

走向創造,意味着與時代大流背道。

此時,問及“是我們失去了創造能力”,還是“CPU剝奪了我們的創造能力”?你會如何作答?

參考資料:

https://blog.robertelder.org/how-to-make-a-cpu/
https://blog.robertelder.org/how-small-is-a-cpu/
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上一篇 2021-11-16 12:21
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