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如何把一块石头变成CPU?国外小伙称自己将解决全球芯片荒

CPU是拿什么做的?

答案只有一个字:硅

如何把一块石头变成CPU?国外小伙称自己将解决全球芯片荒

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硅从哪里来?

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行了,就两个重点:岩石、高温。

国外的一个小伙看后马上踏上了自己制造CPU的旅程。

小伙夸下海口,我能用石头做!

从一颗石头开始制作CPU,想法来自小伙对时代的思考:为什随着高科技不断涌现,我们却失去了创造事物的能力?

但是CPU被称为“世界上唯一无法山寨的东西”,制造过程代表当今世界科技发展的最高水平,制造过程包含选取原料沙子(石英)、提纯成硅锭、晶圆、光刻、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互连、晶圆测试与切割、核心封装、等级测试等基本步骤,真能被复刻出来?

且不论现在的纳米级CPU,只要小伙能造出来,我就敬上一声大佬!

但是到底是怎么做的呢,似乎他真的想把我们教会。

第一步、从捡石头开始。

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第二步、砸石头。

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第三步、不停地砸,终于你将拥有一份 98% 浓度的二氧化硅。

这还不够,还要提纯,只有当硅被纯化到纯度为99.9999999%时,它才真正现出原形。

这是99.9%纯度的二氧化硅,看上去像酸奶质地。

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再纯!再纯!纯至99.9999999%的多晶硅金属,变成了一块银晃晃的东西--硅锭。

但此时的硅锭还是多晶态形式,变成单晶态才能用。

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下一步就是将多晶硅锭放入坩埚中,将硅锭加热至 1698 °K。

随后,小伙取出一颗单晶“种子”,把它浸到熔融硅的大桶中。

在这个过程中,多晶硅体围着这颗单晶种生长,直到形成一个几近完美的单晶硅。简直就是“先富带动后富”的典型啊!

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随后慢慢把晶体拉出来,等待冷却后,一个纯硅单晶出炉!当当当当~

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看这摆盘!

第一阶段-- 硅提纯收工!开始第二阶段:切割芯片基座--晶圆

所谓的“切割晶圆”也就是从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片,并将其划分成多个细小的区域,每个区域都将成为一个CPU的内核。一般来说,晶圆切得越薄,相同量的硅材料能够制造的CPU成品就越多。

切割出的晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕,已经能清晰地照出猫咪的样子!

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那么现在,就有了最原始的新切割硅片。

之后再选择性地用硼、磷或者其他掺杂剂掺杂。

小伙表示,为了省钱,打算再开一条生产线,在火柴上发挥想象力。

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接下来,将开始最精细的第三阶段:光刻

先在晶圆上涂上光阻(Photoresist)剂,然后取一个带有所需电路图案的铬蚀刻石英掩模,用激光束照射,将电路图案投射到晶圆上。

此时,光罩产生的阴影位置将控制光刻胶在硅片表面发生化学变化的位置,当然,这取决于使用的是正性还是负性光阻剂。

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然后,倒上显影液。等待一会后再酸蚀晶片的暴露部分。

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尽管小伙的步骤相当简单,但是光刻的工作属于芯片制造中最关键的一环!一言以蔽之,光刻目的即改变晶圆的区域导电状态!

其中,蚀刻技术把对光的应用推向了极限。蚀刻使用的是波长很短的紫外光并配合很大的镜头。短波长的光将透过这些石英遮罩的孔照在光敏抗蚀膜上,使之曝光。接下来停止光照并移除遮罩,使用特定的化学溶液清洗掉被曝光的光敏抗蚀膜,以及在下面紧贴着抗蚀膜的一层硅。

然后,曝光的硅将被原子轰击,使得暴露的硅基片局部掺杂,从而改变这些区域的导电状态,以制造出N井或P井,结合上面制造的基片,CPU的门电路就完成了。

这些工作完成后,就是无数次的重复操作:同质外延、异质外延、伪外延、扩散掺杂、铜互连层、化学机械抛光、光刻胶应用、酸蚀刻和光掩模曝光,从而在晶片上建立所需的特征。

也就是长这样--

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光打过去,光线在穿过芯片内的透明氧化层时发生薄膜干涉和衍射,你看到的晶圆上的图案,就来自嵌入芯片内的金属互连层上的光反射。此时的晶圆还会闪耀着五彩斑斓的彩虹色,意味着现在你得到了一个完整的硅片!

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要知道,CPU的所有魔法就发生在硅芯片表面的这层薄层中!厚度仅为微米量级,但其本身由许多纳米量级的更小薄层组成。

然后,开始了第四阶段:封装

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这些未封装的硅片,要先定位硅芯片上的焊盘,并连接键合线。

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这些小点就是电线连接点

然后,使用粘合线或焊锡球,在芯片封装上的引脚和硅片上的焊盘之间搭好“电气连接”。

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终于,一块可以使用的CPU制做完成!

显然,制造一块现代 CPU 的过程要比小伙演示的更复杂。其中有许多精密技术小伙甚至没提到,比如光阻剂和显影液的化学成分、浓度、在晶圆上构建特征的方式等等。

这些都是大公司专利,不可能在 HackerNews 、Reddit 或者YouTube上搜得到。

但小伙说到,虽然业余爱好者不太可能自己造出尖端的纳米级芯片,但微米级的还是可行的。YouTube上另一小伙Sam Zeloof 确实试过。

最后,小伙不忘提醒大家,视频中的“光刻胶”和“显影剂”只是彩色道具,真化学品可是相当危险,普通房子做实验室根本不行,还得以安全第一。

视频结束,虽然小伙只是演示了一遍芯片制造流程,但还是要尊称一声大佬!因为在芯片之外,我们确实还有很多想要求解的问题:为什么随着高科技不断涌现,我们却失去了创造事物的能力?

但似乎,我们并没有失去创造力,而是变得更加急功近利。伴随着数字化生存,信息供给远远超过信息需求,人们渴求更快、更全面、更准确地处理信息,“使用力”渐渐比“创造力”更加“有用”。

走向创造,意味着与时代大流背道。

此时,问及“是我们失去了创造能力”,还是“CPU剥夺了我们的创造能力”?你会如何作答?


作者 | 吴彤

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