پسر ۲۲ ساله‌ای که در گاراژ خانه‌اش تراشه تولید می‌کند

اینتل، تراشه‌ساز مطرح دنیا، آگوست ۲۰۲۱ از جزئیات برنامه‌اش برای ساخت کارخانه‌ی بزرگ ساخت تراشه‌‌ی ۱۰۰ میلیارد دلاری با دَه‌هزار نفر کارگر پرده برداشت که قرار است نسل جدید پردازنده‌های قدرتمندی با میزبانی از میلیاردها ترانزیستور در آنجا تولید شود. همان ماه، پسر ۲۲ ساله‌ای به نام سم زِلوف اعلام کرد در گاراژ خانه‌ی پدری‌اش در نیوجرسی، درحدود ۴۸ کیلومتر از جایی که اولین ترانزیستور دنیا در آزمایشگاه‌های بل در سال ۱۹۴۷ تولید شده بود، به‌تنهایی موفق شده است تراشه‌ی خود را بسازد.

این پسر ۲۲ ساله تراشه‌ای با ۱۲۰۰ ترانزیستور را به‌کمک تجهیزات دست‌ساز و دست‌دوم خریده‌شده از Ebay و آمازون تولید کرد. برای این کار، به‌کمک پرتو فرابنفش روی برش‌هایی از ویفرهای سیلیکونی، طرح‌های میکروسکوپی ایجاد و بعد این ویفرها را با دست در اسید غوطه‌ور کرد. زلوف از کل فرایند ساخت این تراشه فیلم گرفته و در یوتیوب و بلاگش منتشر کرده است. او درباره‌ی این موفقیت گفت:

شاید فکر کنید این حرف را از سر اعتماد‌به‌نفس زیاد می‌زنم؛ اما اعتقاد دارم اگر شخص دیگری یاد گرفته است کاری انجام دهد، من هم می‌توانم؛ حتی اگر لازم باشد وقت بیشتری برای انجامش صرف کنم.

این تراشه‌ی ۱۲۰۰ ترانزیستوری درواقع دومین تراشه‌ای بود که زلوف در گاراژ خانه‌شان ساخته بود. او اولین تراشه‌ی دست‌سازش را سال ۲۰۱۸ ساخت؛ یعنی زمانی که سال آخر دبیرستان بود. یک سال قبل‌از‌آن نیز، ساخت ترانزیستورها را به‌طور جداگانه شروع کرده بود.

ازلحاظ تکنولوژی ساخت، تراشه‌های زلوف هزاران سال از تراشه‌های اینتل عقب هستند؛ اما زلوف به‌شوخی می‌گوید پیشرفت او در ساخت تراشه از پیشرفت صنعت نیمه‌هادی‌ها در روزهای اولیه‌‌اش سریع‌تر بوده است. این ادعا چندان هم نادرست نیست؛ چراکه تراشه‌ی دوم زلوف درمقایسه‌با تراشه‌ی اولش، ۲۰۰ برابر ترانزیستور بیشتری داشت و از سرعت رشدی که قانون مور در نظر گرفته، بسیار پیشی گرفته است. طبق قانون مور، تعداد ترانزیستورهای تراشه تقریباً هر دو سال یک بار دو برابر می‌شود.

ماجرا از کجا شروع شد؟

سم زلوف سال ۲۰۱۶، یعنی زمانی که سال اول دبیرستان بود، به فکر ساخت تراشه افتاد. او تحت‌تأثیر ویدئوهای یوتیوبی مخترع و کارآفرینی به نام جری الزورث قرار گرفته بود که با استفاده از قالب‌هایی به‌دست‌‌آمده از عکس برگردان و بطری پاک‌کننده‌ی لکه‌ی زنگ‌زدگی برای خودش ترانزیستورهایی به‌اندازه‌ی انگشت شست ساخته بود.

زلوف با دیدن این ویدئوها به این فکر افتاد پروژه‌ی الزورث را ادامه دهد و قدم بعدی از نظر او این بود که ترانزیستورهای جدا را در مدار‌های مجتمع کنارهم بچیند؛ جهشی که در تاریخ ساخت تراشه حدود یک دهه طول کشید. الزورث که اکنون مدیرعامل استارتاپ واقعیت افزوده‌ای به نام Tilt Five است، درباره‌ی کار زیلوف گفت:

او پروژه‌ی من را در حد جهشی کوانتومی فراتر برد. اینکه به دنیا یادآوری کنیم صنایعی که دور از دسترس به‌نظر می‌رسند، از جایی بسیار ساده شروع شده‌اند و هر کسی می‌تواند آن کار را انجام دهد، بسیار ارزشمند است.

از ساخت تراشه‌های کامپیوتری گاهی به‌عنوان دشوارترین و دقیق‌ترین فرایند تولید در جهان یاد می‌شود. وقتی زلوف در وبلاگش نوشت که قصد دارد تراشه بسازد، برخی از کارشناسان این صنعت به او ایمیل زدند و گفتند چنین کاری غیرممکن است. این اخطارها به‌جای آنکه باعث تسلیم زلوف شوند، او را به انجام پروژه‌اش مصمم‌تر کردند. زلوف بیان کرد:

واقعیتش این است که با این کار می‌خواستم نشان دهم وقتی کسی به ما می‌گوید چیزی غیرممکن است، راحت حرفش را قبول نکنیم.

خانواده‌ی زلوف در عین حمایت از پروژه‌ی او، محتاط نیز بودند. پدر زلوف از مهندس قطعات نیمه‌هادی خواست تا به پسرش توصیه‌های ایمنی بدهد. این فرد مارک راثمن نام داشت که ۴۰ سال در صنعت تراشه‌سازی مشغول به کار بود و حالا در شرکتی استخدام شده است که روی تکنولوژی نمایشگرهای اولد کار می‌کند. راثمن هنگامی که شنید زلوف می‌خواهد در گاراژ خانه تراشه بسازد و به توصیه‌های ایمنی نیاز دارد، گفت:

واکنش اولیه‌ی من این بود که چنین کاری غیرممکن است. هیچ‌کس نمی‌تواند در گاراژ تراشه بسازد؛ اما بعد دیدم کارهایی انجام داده است که اصلاً فکر نمی‌کردم کسی بتواند انجام دهد.

زلوف اولین تراشه‌ی خود به نام Z1 را با ۶ ترانزیستور در سال ۲۰۱۸ ساخت؛ یعنی زمانی که دبیرستانی بود

پروژه‌ی زلوف هم دربردارنده‌ی برگ‌هایی از تاریخ است، هم مهندسی. ساخت تراشه‌های مدرن در تأسیساتی انجام می‌شود که سیستم‌های تهویه‌‌ی هوای گران‌قیمت آن‌ها هر اثری از گرد‌و‌غبار را از بین می‌برند که ممکن است به میلیارد‌ها دلار ماشین‌آلات آسیب وارد کند. زلوف که نمی‌توانست ازپسِ چنین هزینه‌هایی بر‌آید، سراغ مطالعه‌ی پتنت‌ها و کتاب‌های راهنمای چاپ دهه‌‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ رفت که در آن زمان مهندسان شرکت‌های پیش‌گامی چون شرکت نیمه‌هادی «فرچایلد» روی میزهای کار معمولی به ساخت تراشه مشغول بودند. زلوف گفت:

آن‌ها در این کتاب‌ها روش ساخت تراشه را با ابزار‌آلات معمولی مثل تیغه‌های برند X-Acto و چسب نواری و چند بِشِر آزمایشگاهی توضیح می‌دهند، نه اینکه بگویند ما یک دستگاه ده‌میلیون‌دلاری اندازه‌ی یک اتاق دراختیار داریم.

زلوف مجبور بود آزمایشگاه خود را با تجهیزات کارکرده و ارزان‌قیمتی پر کند که دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ به شرکت‌های فناوری تعطیل‌شده در کالیفرنیا تعلق داشت. بسیاری از این تجهیزات نیز به تعمیر نیاز داشتند؛ اما خوشبختانه تعمیر دستگاه‌های قدیمی آسان‌تر از ماشین‌آلات آزمایشگاهی مدرن است. یکی از بهترین خرید‌های زلوف میکروسکوپی الکترونی بود که اوایل دهه‌ی ۱۹۹۰، حدود ۲۵۰ هزار دلار قیمت داشت؛ اما زلوف موفق شد تنها با هزار دلار آن را بخرد و تعمیرش کند. او با این میکروسکوپ ایرادهای تراشه‌هایش و نانوساختارهای بال‌های پروانه‌ را بررسی می‌کند.

زلوف در ساخت تراشه گاهی مجبور بود نوآوری کند. درست شبیه کارخانه‌ی تراشه‌سازی واقعی، زلوف قصد داشت طرح‌های با دقت میکروسکوپی‌اش را با استفاده از فرایندی به نام فوتولیتوگرافی به دستگاه‌هایش منتقل کند. در این فرایند، تراشه‌ی در دست ساخت با لایه‌ی از مواد حساس به نور پوشانده می‌شود و بعد به‌کمک دستگاهی مانند پروژکتور با دقت بسیار زیاد، طرح مدنظر که مراحل بعدی پردازش را هدایت می‌کند، روی آن سوزانده می‌شود.

دستگاه‌های فوتولیتوگرافی بسیار لوکس هستند و قیمت آن‌ها گاهی به ۱۵۰ میلیون دلار می‌رسد؛ ازاین‌رو، زلوف تصمیم گرفت با چفت‌کردن پروژکتور تعمیرشده‌ی مخصوص اتاق کنفرانس به سر میکروسکوپ، دستگاه فوتولیتوگرافی خودش را بسازد. این دستگاه طرح‌های او را که در مقیاس بسیار کوچک ایجاد شده‌اند، روی ویفرهای سیلیکونی منتقل می‌کند که با لایه‌ای از مواد حساس به پرتو فرابنفش پوشانده شده است.

تراشه‌ی دوم به نام Z2 با ۱۲۰۰ ترانزیستور آگوست ۲۰۲۱ ساخته شد

زلوف اولین تراشه‌اش را سال ۲۰۱۸ طراحی کرد که تقویت‌کننده‌ای ساده با شش ترانزیستور بود. این تراشه را هم در زنگ ورزش و وقتی طراحی کرد که مربی نیامده بود و به جایش معلم دیگری به دانش‌آوزان گفته بود تکالیف درسی‌شان را انجام دهند. پس از حدود ۱۲ ساعت کار روی این تراشه و گذراندن ۶۶ مرحله ساخت در گاراژ، زلوف موفق شد تراشه‌ی Z1 را بسازد.

تراشه‌ی Z1 از ترانزیستورهایی تشکیل شده بود که به‌گفته‌ی زلوف انگار «یک‌راست از دهه‌ی ۱۹۷۰» آمده‌ بودند و ویژگی‌های آن به کوچکی ۱۷۵ میکرون، یعنی اندازه‌ی عرض یک تار مو بود. زلوف این تراشه‌ها را در برد مداری به‌کار برد که تنها یک چراغ LED و یک پدال اعوجاج گیتار داشت.

زلوف حالا مشغول کار روی نسل سوم تراشه‌اش است که می‌تواند جمع ساده ۱ + ۱ انجام دهد

اواخر سال ۲۰۱۸، زلوف در دانشگاه کارنگی ملون در پنسیلوانیا پذیرفته شد و حین تحصیل در رشته‌ی مهندسی برق، روی قطعه‌های تجهیزات تراشه‌سازی گاراژش کار کرد. اگرچه او می‌گوید تمام پروتکل‌های ایمنی را رعایت می‌کرده است، دانشگاه به او اجازه نداد در اتاق خوابگاهش از دستگاه اشعه‌ی ایکس استفاده کند. زلوف روزهایی که از خوابگاه به خانه برمی‌گشت، دستگاه‌هایش را برای ساخت تراشه‌ی دومش آماده می‌کرد. او در ساخت تراشه Z2 سراغ ویفر پلی‌سیلیکون رفت که تراشه‌سازان در دهه‌ی ۱۹۷۰ از آن استفاده می‌کردند.

زلوف قطعه‌های مربعی نیم‌اینچی از پلی سیلیکون را که قرار بود هریک تراشه‌ی مجزایی شود، روی صفحه‌‌ی گردان کوچک دست‌سازی با سرعت ۴۰۰۰ دور در دقیقه چرخاند تا آن‌ها را با مواد حساس به نوری بپوشاند که وظیفه‌ی انتقال طرح به روی سطح را برعهده داشتند. سپس، دستگاه فتولیتوگرافی دست‌سازش را روی طرح تاباند تا شبکه‌ای متشکل از ۱۲ مدار ایجاد شود که هریک ۱۰۰ ترانزیستور و در‌مجموع ۱۲۰۰ ترانزیستور داشت.

زلوف سپس هر تراشه را به اسید آغشته کرد و در کوره‌ای با دمای حدود ۱۰۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد گذاشت تا اتم‌های فسفر آن پخته و درجه‌ی رسانایی‌اش تنظیم شود. در آخر، هر تراشه در محفظه‌ی خلأ پر از پلاسمای بنفش و سه دور دیگر زیر دستگاه فوتولیتوگرافی قرار گرفت تا مراحل ساخت آن به‌پایان برسد.

امروزه، کارخانه‌های تراشه‌سازی تجاری از روشی تقریباً مشابه استفاده می‌کنند؛ البته این تراشه‌ها بسیار پیچیده‌تر هستند و در دل آن‌ها میلیاردها ترانزیستور بسیار کوچک جای می‌گیرند و تمام مراحل ساخت هم با دستگاه انجام می‌شود، نه با دست. بااین‌حال، ساخت تراشه‌ی Z2 برای زلوف پیشرفت بسیار بزرگی به‌حساب می‌آمد. ترانزیستورهای این تراشه حدودا دَه برابر از نسل قبلی سریع‌تر و ویژگی‌هایش به کوچکی ۱۰ میکرون، یعنی اندازه‌ی یک گلبول قرمزخون بودند. ماه آگوست، زلوف تراشه‌ی Z2 را با آنالیزوری نیمه‌هادی آزمایش کرد که حدود بیست سال قبل از تولدش هیولت پاکارد عرضه کرده بود. وی دید تراشه‌اش تمام مراحل ساخت را با موفقیت پشت‌سر گذاشته است.

زلوف این موفقیت را با انتشار توییتی جشن گرفت. پروژه‌ی ساخت تراشه‌ی او طرفداران زیادی در توییتر دارد و ویدئوهای او در یوتیوب به میلیون‌ها بازدید می‌رسد. حتی کهنه‌کاران صنعت نیمه‌هادی که در دهه‌ی ۱۹۷۰ فعال بودند و فکر می‌کردند ساخت تراشه در گاراژ غیرممکن است، حالا به او توصیه‌های مفیدی می‌کنند تا در زمینه‌ی ساخت تراشه‌های دست‌ساز موفق‌تر شود.

برنامه‌های زلوف برای آینده‌

زلوف در‌حال‌حاضر مشغول کار روی ساخت نسل سوم تراشه‌اش است که می‌تواند جمع ساده ۱ + ۱ انجام دهد و اولین قدم برای تولید ریزپردازنده‌ای کامل به‌حساب می‌آید. بااین‌حال، هنوز مطمئن نیست پس از اینکه چند ماه دیگر فارغ‌التحصیل شد، می‌خواهد سراغ چه حرفه‌ای برود؛ اما این‌ روزها فکرش سخت مشغول جایگاه تراشه‌های دست‌ساز در اکوسیستم تکنولوژی مدرن بوده است.

از بسیاری جهات، پروژه‌های دست‌ساز هرگز تا این اندازه موفق نبوده‌اند. تجهیزات رباتیک و چاپگرهای سه‌بعدی به‌راحتی دردسترس هستند و استفاده از سخت‌افزارهای هکرپسندی مانند میکروکنترلر آردوینو و برد رزبری پای به‌خوبی بین کاربران جا افتاده‌اند؛ اما زلوف می‌گوید:

تراشه‌ها هنوز دارند در کارخانه‌‌های بزرگ ساخته می‌شوند و پیشرفت کمی دردسترس‌پذیرترکردن این صنعت حاصل شده است.

الزورث که ترانزیستورهای دست‌ساز او الهام‌بخش زلوف بوده‌اند، می‌گوید فراهم‌آوردن شرایطی برای ساخت تراشه‌های دست‌ساز باکیفیت می‌تواند ارزشمند باشد و فناوری ساخت تراشه‌ای که برای کارخانه‌های پیشرو منسوخ‌شده به‌حساب می‌آید، می‌تواند همچنان برای مهندسانی مثل زلوف مفید باشد.

زلوف اخیراً دستگاه فوتولیتوگرافی خود را تا حدی ارتقا داده تا ازپسِ چاپ جزئیاتی به کوچکی ۰٫۳ میکرونب رآید که تقریباً هم‌تراز با صنعت ساخت تراشه‌های تجاری در اواسط دهه‌ی ۱۹۹۰ بود. درحال‌حاضر، او دارد به ساخت تراشه‌ای در مقیاس پردازنده‌ی تاریخی ۴۰۰۴ اینتل فکر می‌کند. این پردازنده که سال ۱۹۷۱ تولید شد، اولین ریزپردازنده‌ی تجاری دنیا بود که ۲۳۰۰ ترانزیستور داشت و در ماشین‌حساب‌ها و سایر دستگاه‌های تجاری به‌‌کار می‌رفت.

تراشه‌هایی که در گاراژ تولید می‌شوند، قرار نیست جایی در کنسول‌های بازی و سیستم‌های قدرتمند داشته باشند؛ اما زلوف می‌گوید تفریح نامتعارف او می‌تواند الهام‌بخش مخترعانی باشد که بودجه‌های چند‌میلیون‌دلاری ندارند و فکر می‌کنند ساخت تراشه برایشان رؤیایی دست‌نیافتنی است. زلوف درپایان می‌افزاید:

می‌خواهم ایده‌ی «سیلیکون گاراژی» را بیشتر ترویج دهم و ذهن مردم را برای پذیرش این واقعیت آماده کنم که ما می‌توانیم این کارها را در خانه انجام دهیم.