- Sam Zeloof, người từng nổi tiếng vì tạo ra chip Z1 trong gara tại nhà khi còn học sinh năm cuối trung học, nay đã công bố Z2 khi đang là sinh viên năm 3 đại học
- Chip Z2 là một mạch tích hợp tự chế dựa trên cổng polysilicon chứa khoảng 100 transistor, thể hiện mức silicon hiệu năng cao được tạo ra bằng thiết bị gia dụng
- So với chip Z1 thế hệ trước (6 transistor, cổng kim loại), Z2 áp dụng quy trình cổng polysilicon 10µm, hạ điện áp ngưỡng (Vth) xuống 1.1V và đạt khả năng tương thích logic 2.5V~3.3V
- Đặc tính transistor NMOS gồm thời gian lên/xuống dưới 10ns, dòng rò 932pA, tỷ lệ on/off 4.3×10⁶, cho thấy hiệu năng rất tốt dù dùng hóa chất không tinh khiết và môi trường không sạch
- Bằng cách dùng photoresist làm lớp cách điện và gia công lớp polysilicon trên wafer xuất xưởng từ nhà máy, dự án tránh được các công đoạn đắt đỏ và nguy hiểm, đồng thời có thể chế tạo với lượng thiết bị và hóa chất tối thiểu
- Dự án này chứng minh tính khả thi của việc tự chế tạo bán dẫn kiểu DIY và đặt nền tảng để mở rộng sang thiết kế mạch số và analog phức tạp hơn
Tổng quan về chip Z2
- Z2 là mạch tích hợp thử nghiệm gồm mảng transistor 10×10, là cấu trúc kiểm thử để đo đạc và tối ưu đặc tính quy trình
- Đã chế tạo khoảng 1.200 transistor trên cùng một wafer silicon
- Dựa trên cùng công nghệ cổng polysilicon 10µm như Intel 4004 (2.200 transistor)
- So với Z1 (6 transistor, cổng kim loại), số lượng transistor và hiệu năng được cải thiện đáng kể
- Z1 có điện áp ngưỡng cao (>10V) nên cần 2 pin 9V, còn Z2 có thể hoạt động ở điện áp thấp
Chuyển sang quy trình cổng polysilicon
- Để vượt qua giới hạn của quy trình cổng nhôm trước đây, dự án chuyển sang cổng polysilicon
- Cấu trúc self-aligned gate giúp giảm điện dung chồng lấp
- Điện áp ngưỡng 1.1V, Vgs tối đa 8V, Cgs <0.9pF, thời gian lên/xuống <10ns
- Dòng rò 932pA (Vds=2.5V) là mức rất thấp, nhưng tăng khoảng 100 lần dưới điều kiện có ánh sáng
- Ngay cả với hóa chất không tinh khiết và môi trường không sạch, vẫn đạt được đặc tính transistor tốt
Thiết kế và cấu trúc chip
- Kích thước chip là 2.4mm², bằng khoảng 1/4 IC trước đó
- Thiết kế layout bằng Photoshop, cấu trúc đơn giản để dễ chế tạo
- Mười transistor cùng chia sẻ một cổng chung
- Mỗi hàng được nối tiếp để tạo thành cấu trúc tương tự NAND flash
- Thiết kế pad lớn để dễ probing
- Trong 15 chip được chế tạo, ít nhất 1 chip hoạt động hoàn toàn, 2 chip hoạt động khoảng 80%
- Lỗi chính là ngắn mạch bulk với drain/source, còn rò cổng thì hiếm
Quy trình polysilicon DIY đã được điều chỉnh
- Không dùng khí silane (SiH₄) mà thay bằng phương pháp pha tạp khuếch tán nhiệt độ cao
- Mua wafer đã được lắng đọng polysilicon tại nhà máy rồi tự pattern
- Lắng đọng silicon vô định hình bằng laser annealing cũng được nhắc đến như một phương án thay thế
- Hóa chất sử dụng: nước, cồn, acetone, axit phosphoric, photoresist, dung dịch hiện KOH, chất pha tạp loại N (P509), HF (1%) hoặc CF₄/CHF₃ RIE, HNO₃ hoặc SF₆ RIE
- Thiết bị sử dụng: hotplate, tube furnace, thiết bị quang khắc, kính hiển vi, buồng chân không để lắng đọng kim loại
Chi tiết quy trình và cấu trúc mặt cắt
- Dùng wafer có oxit cổng (10nm) và lớp polysilicon (300nm)
- Mua 25 wafer 200mm trên eBay với giá $45
- Nhờ lớp oxit chất lượng cao nên có thể loại bỏ công đoạn làm sạch bằng axit mạnh như axit sulfuric
- Dùng lớp cách điện photoresist (1µm) để thay cho field oxide
- Sau khi đóng rắn ở 250°C sẽ tạo thành lớp cách điện vĩnh viễn, có thể thay cho CVD SiO₂
- Spin-on glass (sol-gel) cũng được nhắc đến như vật liệu thay thế
- Khắc lớp oxit được thực hiện bằng dung dịch HF dựa trên chất tẩy gỉ hoặc bằng RIE
Kết quả chế tạo và kế hoạch tiếp theo
- Ảnh mặt cắt SEM xác nhận cấu trúc NMOS
- Polysilicon được dùng làm mặt nạ pha tạp, photoresist hard-bake được dùng làm chất cách điện trường
- Điều này tạo ra cấu trúc dạng bậc thang
- Quy trình hiện chưa tương thích tốt với CMOS, nhưng có lợi về giảm tối đa công cụ cần dùng và tăng mức độ an toàn
- Trong tương lai dự kiến mở rộng sang xây dựng hệ thống kiểm thử tự động và thiết kế mạch phức tạp hơn
Phản ứng từ cộng đồng
- Nhiều bình luận đánh giá đây là "thành tựu đáng kinh ngạc", "tiềm năng của bán dẫn DIY"
- Một số người đưa ra ý tưởng cải tiến như dùng wafer SOI, quang khắc dựa trên DVD-R
- Có nhiều đề xuất tiếp theo như mong chờ Z3, ứng dụng transistor cho âm thanh
- Nhìn chung, dự án được quan tâm và ca ngợi rộng rãi như một ví dụ đột phá về chế tạo bán dẫn ở cấp độ cá nhân
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Tôi bắt đầu lập trình trên Mac Plus 8MHz vào cuối những năm 1980
Sau đó, đến cuối những năm 1990, tôi lấy bằng khoa học máy tính, và trong suốt quãng thời gian đó tôi cảm nhận được một kiểu ‘định luật Moore đảo ngược’: hiệu năng đơn luồng gần như dậm chân tại chỗ trong khi số lượng transistor lại bùng nổ
Giờ đây, khi mỗi con chip có thể chứa hơn 100 tỷ transistor, tôi nghĩ đã có cơ hội để thử những cách tiếp cận mới
Đặc biệt, nếu khả năng tương thích CMOS và quang khắc tại nhà dựa trên mã nguồn mở trở nên khả thi, thì chúng ta có thể tự mình thử nghiệm các lõi có hiệu năng cỡ MIPS hoặc Pentium
Ví dụ, Raspberry Pi RP2040 (266 MIPS, 2 lõi, 32-bit, 264kB RAM) chỉ có giá đúng 1 USD mà lại nhanh gấp 5 lần Pentium đời đầu
Tôi hình dung rằng nếu xếp thành mảng 256 lõi giá rẻ như vậy và tạo ra một ngôn ngữ tự động song song hóa, thì ta có thể tự do làm các thử nghiệm như thuật toán di truyền hay mô phỏng sự sống nhân tạo
Gần đây tôi đang tìm các hướng dẫn hoặc bộ kit để thử quang khắc tại nhà, nên rất bất ngờ khi thấy đúng dự án này
Tôi muốn cho bọn trẻ thấy tận mắt công nghệ hiện đại hoạt động như thế nào; hiện giờ vẫn còn quá phức tạp, nhưng sau này tôi muốn thử cùng chúng
Với các thiết bị phức tạp hơn, có thể tham khảo thêm tài liệu của những người sáng lập InchFab
Cách dễ nhất là dùng dry film photoresist. Có thể mua trên eBay hoặc Amazon với giá khoảng 20 USD
Mỗi đứa trẻ sẽ hứng thú với những thứ khác nhau, nhưng những trải nghiệm như thế này sẽ sống động hơn màn hình rất nhiều
Đây không chỉ đơn giản là thứ gì đó ngầu, mà là việc có thể thay đổi thế giới
Tự làm phần cứng tại nhà có ý nghĩa tương đương với việc tự làm phần mềm tự do tại nhà
Về lâu dài, tôi nghĩ đây là con đường để bảo vệ tự do điện toán
Dự án IC đầu tiên của Sam Zeloof đã ra mắt từ năm 2018, nhưng hệ sinh thái DIY vẫn chưa phát triển mạnh
Dù vậy, cá nhân tôi vẫn định tự thử nghiệm và hy vọng sẽ thấy thay đổi thực sự
Thật khó tin khi có thể tái hiện một quy trình chế tạo chip ở trình độ cuối thập niên 1970 ngay trong gara của bố mẹ
Vi xử lý là một trong những phát minh phức tạp nhất mà loài người từng tạo ra, nên việc những nỗ lực như thế này là khả thi thật sự khiến tôi kinh ngạc
Mỗi khi thấy những dự án bán dẫn quy mô hobby như thế này, tôi lại cảm nhận rằng đổi mới vẫn tiếp tục diễn ra bên ngoài các phòng thí nghiệm lớn
Tôi tò mò không biết cách tiếp cận này có thể mở rộng đến đâu
Các bài báo nghiên cứu công khai đầy đủ cả lượng hóa chất, nhiệt độ và thời gian, nên ai cũng có thể tái tạo lại
Chính sự cởi mở đó đã thúc đẩy tiến bộ công nghệ rất nhanh, nhưng về sau khi mô hình quản trị xoay quanh bảo vệ IP lan rộng, thông tin bắt đầu bị hạn chế
Ở Trung Quốc, văn hóa chia sẻ cởi mở như vậy vẫn còn tồn tại, và người ta nói đó là động lực cho sự phát triển nhanh chóng
Lúc đầu tôi đã nghĩ kiểu “mức này chắc có thể tự động hóa bằng một cỗ máy nhỏ chứ?”, và có vẻ Atomic Semi thực sự đang đi theo hướng đó
Cũng như trước đây JLCPCB từng xuất hiện và thay đổi hoàn toàn giới điện tử hobby, tôi hy vọng trong vài năm tới ngành bán dẫn cũng sẽ có một bước ngoặt tương tự
Hiện tại chỉ những công ty quy mô hàng triệu USD mới có thể làm chip, nhưng các nỗ lực DIY như thế này có thể sẽ phá vỡ bức tường đó
Các fab công nghiệp lớn có thể bị chi phối bởi quy định hoặc logic thị trường, nên năng lực để cá nhân tự làm phần cứng là rất quan trọng
Thật ấn tượng khi ngay cả trong gara cũng có thể làm ra IC
Tất nhiên điều đó đòi hỏi rất nhiều kiến thức và công sức, nhưng việc nó khả thi mà không cần một phòng sạch trị giá hàng tỷ USD vẫn rất đáng chú ý
Nhưng mạch số thì trên thực tế rất khó, và tôi nghĩ dùng FPGA sẽ hợp lý hơn
Với IC số tự làm, giới hạn có lẽ chỉ đến mức một chiếc đồng hồ số lớn
(Đây là một dự án được thực hiện vào năm 2021)
Hy vọng sau khi tốt nghiệp, anh ấy sẽ tiếp tục lại các thí nghiệm bán dẫn