22歳の若者が両親のガレージでチップを作る

8月、半導体メーカーのインテルは、米国内に「メガファブ」を建設する計画の詳細を明らかにした。これは1000億ドル規模の工場で、1万人の従業員が数十億個のトランジスタを搭載した次世代の高性能プロセッサを製造する予定だ。同月、22歳のサム・ゼロフは、自身初の半導体製造の偉業を成し遂げたと発表した。これは、1947年にベル研究所で最初のトランジスタが製造された場所から約48キロ離れた、ニュージャージー州にある彼の家族のガレージで、たった一人で成し遂げたものだ。

ゼロフ氏は、回収した機材と自作の機材を駆使し、1200個のトランジスタを搭載したチップを製作した。シリコンウエハーをスライスし、紫外線を使って微細な模様を刻み込み、手作業で酸に浸した。その過程はYouTubeと自身のブログで公開している。「自信過剰かもしれないが、『誰かが解決したんだから、自分にもできる』という思いがある。たとえ時間はかかってもね」と彼は言う。

ゼロフ氏のチップは2つ目だ。最初のチップは2018年、高校3年生の時に作ったもので、はるかに小型だった。個々のトランジスタの製造を始めたのは、その1年前だった。彼のチップはインテルのチップより技術的に何億年も遅れているが、ゼロフ氏は半ば冗談めかして、半導体業界が黎明期に成し遂げたよりも速い進歩を遂げていると主張する。2つ目のチップには最初のチップの200倍のトランジスタが搭載されており、その成長率はムーアの法則を上回る。ムーアの法則とは、インテルの共同創業者が提唱した経験則で、チップ上のトランジスタ数は約2年ごとに倍増するというものだ。

ゼロフ氏は現在、1971年に発表されたインテルの画期的な4004チップの規模に匹敵することを目指している。4004は2,300個のトランジスタを搭載し、電卓などの事務機器に使用された初の商用マイクロプロセッサである。12月には、単純な加算を実行できる暫定的な回路設計に着手した。

ゼロフ氏のガレージの外では、パンデミックが世界的な半導体不足を引き起こし、自動車からゲーム機に至るまでの製品の供給が停滞している。この状況を受け、政策立案者たちは、数十年にわたる海外への生産委託を経て、米国のコンピューターチップ生産能力を再構築することに新たな関心を寄せている。

ガレージで作られたチップがすぐにプレイステーションを動かすわけではないが、ゼロフ氏は、この一風変わった趣味を通して、数百万ドルもの予算を持たない発明家でもチップ製造がもっと身近なものになれば社会にとって有益だと確信したという。「参入障壁が高すぎると、極度にリスク回避的になり、イノベーションにとってマイナスになります」とゼロフ氏は言う。

ゼロフ氏が独自のチップ製造の道を歩み始めたのは、高校3年生の2016年だった。発明家で起業家のジェリ・エルズワース氏が、ビニール製デカールから型紙を切り出し、錆び落としのボトルを使って親指大のトランジスタを自作するYouTube動画を見て感銘を受けた。ゼロフ氏はエルズワース氏のプロジェクトを再現し、彼にとって論理的に次のステップと思えたこと、つまり、単一トランジスタから集積回路への移行を試みることにした。この飛躍には、これまで約10年かかっていた。「彼はそれをさらに飛躍させたのです」と、現在、拡張現実（AR）のスタートアップ企業Tilt FiveのCEOを務めるエルズワース氏は語る。「手の届かないと思えるこれらの産業も、もっと小さなところから始まり、自分でもできるということを世界に思い出させることには、計り知れない価値があります。」

コンピューターチップの製造は、時に世界で最も困難で精密な製造プロセスと称される。ゼロフ氏がこのプロジェクトの目標についてブログに書き始めたところ、業界の専門家からメールで「不可能だ」と指摘された。「正直に言うと、面白いと思ったから始めたんです」と彼は語る。「不可能だと聞かされたら、もっと慎重になるべきだ、と訴えたかったんです。」

ゼロフの家族は彼を支えながらも、同時に慎重だった。父親は知り合いの半導体エンジニアに安全に関するアドバイスを求めた。「最初の反応は『そんなことはできない』でした。ここはガレージですからね」と、40年間半導体エンジニアとして働き、現在は有機ELディスプレイの技術開発会社で働くマーク・ロスマンは語る。ゼロフの成長を目の当たりにするにつれ、ロスマンの当初の反応は和らいできた。「彼は、私が到底人間にはできないと思っていたことを成し遂げたのです」

ゼロフ氏のプロジェクトは、工学だけでなく歴史も絡めている。現代の半導体製造は、数十億ドルの機械に悪影響を与える可能性のある埃を徹底的に除去する高価な空調システムを備えた施設で行われている。ゼロフ氏はそうした技術に匹敵する技術を持ち合わせていなかったため、1960年代から70年代にかけての特許や教科書を読んだ。当時、フェアチャイルドセミコンダクターのような先駆的な企業のエンジニアたちは、ごく普通の作業台で半導体を製造していた。「そこには、エグザクトブレードとテープ、そして数個のビーカーを使った方法が書かれていて、『部屋ほどの大きさの1000万ドルの機械がある』といった説明はされていない」とゼロフ氏は言う。

ゼロフ氏は研究室にビンテージ機器を揃える必要もあった。eBayなどのオークションサイトで、1970年代から80年代にかけて、今は閉鎖されたカリフォルニアのハイテク企業が所有していた、格安のチップ機器を大量に見つけた。機器の多くは修理が必要だが、古い機械は現代の研究機器よりも修理しやすい。ゼロフ氏にとって最高の掘り出し物の一つは、90年代初頭に25万ドルもした壊れた電子顕微鏡だ。彼はそれを1000ドルで購入し、修理した。彼はこの電子顕微鏡を使って、チップの欠陥や蝶の羽のナノ構造を検査している。

ゼロフ氏は時に即興で対応しなければならなかった。実際の半導体製造工場と同様に、彼はフォトリソグラフィーと呼ばれるプロセスを用いて、微細な設計をデバイスに転写しようと考えた。このプロセスでは、チップとなる部分を感光性材料でコーティングし、超高精度プロジェクターのような装置を用いて、後続の処理工程の指針となるテンプレートを焼き込む。フォトリソグラフィー装置は高価で、最大1億5000万ドルにもなるため、ゼロフ氏はAmazonで購入した改造した会議室用プロジェクターを顕微鏡に取り付け、独自の装置を製作した。この装置は、ゼロフ氏が紫外線に感光する材料でコーティングしたシリコンウエハーに、彼の設計を微細に投影する。

2018年、ゼロフは体育の授業中に、代用教員が生徒たちに宿題をするように指示したことを受けて、最初のチップ、トランジスタ6個を搭載したシンプルなアンプを設計しました。ガレージで約12時間、66歩の作業を経て、Z1が完成しました。このチップには、グレイトフル・デッドのシンボルである踊るクマが3匹描かれており、現在ではゼロフのすべてのチップに描かれています。これは、バンドのファンであるロスマンへの感謝の意を表したものとなっています。

Z1には、ゼロフ氏が「1970年代からそのまま出てきた」と評するトランジスタが使用されており、そのサイズはわずか175ミクロン（約髪の毛一本分）と極めて小さい。彼はこのチップを、LEDを1つ点滅させる回路基板とギター用ディストーションペダルに組み込んだ。

2018年後半、ゼロフ氏はカーネギーメロン大学に入学し、電気工学を学びながら、寮の部屋にあるガレージ製造設備を改造していました。安全プロトコルには従っていたと本人は述べていますが、大学側は寮の部屋にあるX線装置に異議を唱えました。帰省中に、彼は2つ目のチップ「Z2」の開発に向けて設備をアップグレードしました。Z2は、1970年代に主流となったポリシリコンと呼ばれる結晶シリコンのウェハをベースにした、より高速なスイッチングトランジスタ設計を採用しています。

ゼロフは、それぞれが独立したチップとなる、手作業で切り出した半インチ四方のポリシリコン片を、自作の小型ターンテーブルで毎分4,000回転で回転させ、設計を表面に転写するために必要な感光性材料を塗布した。そして、自作のフォトリソグラフィー装置が、彼の設計を光で照らし出した。12個の回路からなるグリッドで、各回路に100個のトランジスタ（と踊るクマ）が配置され、合計1,200個のトランジスタが配置された。

次に、各チップは酸でエッチングされ、約1,000度の炉で焼かれてリン原子が焼き込まれ、導電性が調整された。さらに、フォトリソグラフィー装置で3回処理され（その間には、ポリシリコンをエッチングするために紫色に輝くプラズマで満たされた真空チャンバー内での時間など、各ステップが挟まれている）、各チップが完成した。今日の商用ファブは、概ね同様の方法でチップを製造しており、一連のステップを使用して、設計のさまざまな部分に徐々に材料を追加および削除している。それらのチップははるかに複雑で、はるかに小さなトランジスタが数十億個も密集して配置されており、ステップは手作業ではなく機械によって実行されている。ゼロフの第2世代チップのトランジスタは、最初のチップのトランジスタよりも約10倍高速で、赤血球とほとんど変わらない10ミクロンという小さな特徴を持っていた。

8月、ゼロフ氏はZ2を、自身が生まれる約20年前にヒューレット・パッカードが発売した箱型のベージュ色の半導体分析装置に接続してテストした。緑色に光る画面に、滑らかに上昇する電流-電圧曲線が次々と表示され、成功の合図となった。「あの曲線は見ていて衝撃的でした」とゼロフ氏は言う。「小さな結晶の破片を薬品の入ったビーカーに一日中浸け置きした後、初めて生命の兆候が表れたのですから」

自作チップがうまく動作したら、どうやってお祝いする？「ツイートしよう！」とゼロフ氏は言う。彼のプロジェクトは熱心なTwitterフォロワーを獲得し、YouTubeでは数百万回の再生回数を記録した。さらに、1970年代の半導体業界のベテランたちから役立つヒントも提供されている。

ゼロフ氏は、この春に卒業した後、何をしたいのかはっきりとは決まっていないものの、現代のテクノロジー・エコシステムにおいてDIYチップ製造がどのような位置を占めるのかについて考えてきたという。DIY実験は、多くの点でかつてないほど強力になっている。ロボット工学機器や3Dプリンターは簡単に手に入り、ArduinoマイクロコントローラーやRaspberry Piといったハッカー向けのハードウェアも定着している。「しかし、チップは依然としてどこかの大きな工場で製造されています」とゼロフ氏は言う。「それをよりアクセスしやすいものにする取り組みはほとんど進んでいません。」

ゼロフ氏にインスピレーションを与えた自作トランジスタを持つエルズワース氏は、高品質なチップ製造を実際に行うことに価値があるかもしれないと述べている。「現在利用可能なツールを使えば、小規模な製造でも実現可能であり、特定の問題に対しては非常に理にかなっていると思います」と彼女は言う。エルズワース氏は、大手ファブでは時代遅れとみなされているチップ技術でも、エンジニアにとっては依然として有用だと述べている。

ゼロフ氏は最近、フォトリソグラフィー装置をアップグレードし、約0.3ミクロン（300ナノメートル）という微細な形状を印刷できるようになりました。これは、1990年代半ばの商用チップ業界とほぼ同等の規模です。現在、彼はインテルの歴史的な4004と同等の規模のチップにどのような機能を組み込めるかを考えています。「ガレージシリコンをさらに進化させ、自宅でもこのようなことができるかもしれないという可能性を人々に知ってもらいたいのです」と彼は言います。

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