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

大數(shù)據(jù)文摘授權轉載自AI科技大本營

作者 |?吳彤??編輯 | 青暮

CPU是拿什么做的？

答案只有一個字：

硅從哪里來？

行了，就兩個重點：巖石、高溫。

國外的一個小伙看后馬上踏上了自己制造CPU的旅程。

小伙夸下?？?，我能用石頭做！

從一顆石頭開始制作CPU，想法來自小伙對時代的思考：為什隨著高科技不斷涌現(xiàn)，我們卻失去了創(chuàng)造事物的能力？

但是CPU被稱為“世界上唯一無法山寨的東西”，制造過程代表當今世界科技發(fā)展的最高水平，制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，真能被復刻出來？

且不論現(xiàn)在的納米級CPU，只要小伙能造出來，我就敬上一聲大佬！

但是到底是怎么做的呢，似乎他真的想把我們教會。

第一步、從撿石頭開始。

第二步、砸石頭。

第三步、不停地砸，終于你將擁有一份 98% 濃度的二氧化硅。

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(xiàn)出原形。

這是99.9%純度的二氧化硅，看上去像酸奶質地。

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(tài)形式，變成單晶態(tài)才能用。

下一步就是將多晶硅錠放入坩堝中，將硅錠加熱至 1698 °K。

隨后，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，多晶硅體圍著這顆單晶種生長，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?。?/span>

隨后慢慢把晶體拉出來，等待冷卻后，一個純硅單晶出爐！當當當當~

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(guī)格的硅晶片，并將其劃分成多個細小的區(qū)域，每個區(qū)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制造的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！

那么現(xiàn)在，就有了最原始的新切割硅片。

之后再選擇性地用硼、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(fā)揮想象力。

接下來，將開始最精細的第三階段：光刻

先在晶圓上涂上光阻(Photoresist)劑，然后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(fā)生化學變化的位置，當然，這取決于使用的是正性還是負性光阻劑。

然后，倒上顯影液。等待一會后再酸蝕晶片的暴露部分。

盡管小伙的步驟相當簡單，但是光刻的工作屬于芯片制造中最關鍵的一環(huán)！一言以蔽之，光刻目的即改變晶圓的區(qū)域導電狀態(tài)！

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并配合很大的鏡頭。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。接下來停止光照并移除遮罩，使用特定的化學溶液清洗掉被曝光的光敏抗蝕膜，以及在下面緊貼著抗蝕膜的一層硅。

然后，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(qū)域的導電狀態(tài)，以制造出N井或P井，結合上面制造的基片，CPU的門電路就完成了。

這些工作完成后，就是無數(shù)次的重復操作：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征。

也就是長這樣--

光打過去，光線在穿過芯片內的透明氧化層時發(fā)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著五彩斑斕的彩虹色，意味著現(xiàn)在你得到了一個完整的硅片！

要知道，CPU的所有魔法就發(fā)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。

然后，開始了第四階段：封裝

這些未封裝的硅片，要先定位硅芯片上的焊盤，并連接鍵合線。

這些小點就是電線連接點

然后，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”。

終于，一塊可以使用的CPU制做完成！

顯然，制造一塊現(xiàn)代 CPU 的過程要比小伙演示的更復雜。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、在晶圓上構建特征的方式等等。

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(yè)余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

最后，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制造流程，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：為什么隨著高科技不斷涌現(xiàn)，我們卻失去了創(chuàng)造事物的能力？

但似乎，我們并沒有失去創(chuàng)造力，而是變得更加急功近利。伴隨著數(shù)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(chuàng)造力”更加“有用”。

走向創(chuàng)造，意味著與時代大流背道。

此時，問及“是我們失去了創(chuàng)造能力”，還是“CPU剝奪了我們的創(chuàng)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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