Fazendo RAM em casa [vídeo]

• Fabricação de uma célula de DRAM com equipamento doméstico e um processo montado manualmente, confirmando o funcionamento da estrutura básica de RAM que combina transistor e capacitor
• Execução etapa por etapa do processo de semicondutores, incluindo corte da pastilha de silício, formação da camada de óxido, fotolitografia, corrosão a seco, dopagem com fósforo, crescimento do óxido de porta, corte de contato e deposição de alumínio
• Nas medições do dispositivo final, foram confirmadas a característica de chaveamento em que a corrente varia conforme a tensão de porta e uma capacitância máxima de 12,3 pF
• Na operação de uma célula DRAM individual, o capacitor de armazenamento foi carregado até 3 V em algumas centenas de nanossegundos, e a carga foi mantida por pouco mais de 2 ms antes de precisar ser recarregada
• Embora não alcance o tempo de retenção superior a 64 ms de DRAMs comerciais e também revele limites de miniaturização como punch through, o trabalho estabelece um ponto de partida para a expansão para pequenos arranjos de RAM feitos em casa

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Estrutura da DRAM e objetivo de fabricação

• A célula de DRAM tem uma estrutura em que um transistor e um capacitor de armazenamento de carga são colocados em cada interseção de um arranjo formado por linhas e colunas
  • O transistor atua como uma chave
  • O capacitor armazena carga como se fosse uma bateria, guardando 1 bit de informação
  • Ao ligar o transistor, o capacitor é carregado; ao ligá-lo novamente para leitura, a carga pode fluir no sentido inverso e ser detectada
  • Como a carga do capacitor se perde durante a leitura, é necessário refresh periódico
• O alvo de fabricação é uma estrutura pequena baseada em um layout de arranjo 5x4 que poderá ser conectada em sequência depois
  • Um transistor e um capacitor são colocados em cada interseção
  • O objetivo final é um comprimento de porta do transistor ligeiramente menor que 1 micrômetro
• No projeto, cada cor representa uma camada diferente, e o dispositivo é formado por um processo de empilhamento em sanduíche no qual as camadas são adicionadas uma a uma

Processo inicial: preparação do silício e dopagem

• Uma pastilha de silício é usada como material de partida e cortada em pequenos chips com um riscador de diamante
  • Aproveita-se a propriedade do silício de se partir bem ao longo de certos planos cristalinos
• Após o corte, foi feita uma limpeza com acetona e isopropanol para remover contaminantes da superfície
  • O objetivo é remover partículas e dissolver materiais orgânicos
  • Como a etapa seguinte transforma a superfície de silício em vidro, não era necessária uma limpeza perfeitamente completa nesse ponto
• Os chips foram colocados em um forno e aquecidos a 1.100°C, formando uma camada de óxido de 3.300 angströms na superfície
  • Isso faz crescer uma camada vítrea por oxidação do silício
  • Esse óxido depois atua como máscara e camada de proteção
• Sobre a superfície com a camada vítrea formada, foi aplicada primeiro uma liftoff resist, usada como camada de adesão
  • Embora seja originalmente um material para lift-off de metal, também funciona bem como camada de adesão
  • Foi feito bake a 170°C por 5 minutos
• Em seguida, foi feito spin coating de fotoresiste, com bake a 100°C por 2 minutos
  • Formou-se um filme fino uniforme com espessura um pouco maior que 1 micrômetro
• O primeiro nível de padrão foi criado com UV e máscara
  • A luz que passa pelas aberturas da máscara expõe o fotoresiste
  • As áreas expostas são removidas no revelador, formando o padrão
  • Um sistema stepper microscópico projeta o padrão em escala reduzida, e um software próprio controla foco e exposição
  • Equipamento robótico foi usado para obter uma revelação mais uniforme
• Foi feita corrosão a seco usando o fotoresiste padronizado como máscara
  • A camada vítrea foi removida seletivamente para expor a superfície do silício
• Após a corrosão, o fotoresiste foi removido com DMSO aquecido
  • Como resultado, formou-se uma estrutura com janelas abertas no óxido de 3.300 angströms
• Essas janelas no óxido foram usadas para formar a fonte e o dreno do transistor
  • Fonte e dreno funcionam como terminais de entrada e saída da chave
  • A porta será formada depois na região central
• Foi introduzido fósforo no silício para aumentar a condutividade dessas regiões
  • Na indústria também se usa implantação iônica, mas isso não foi aplicado por custo e porte do equipamento
• Em vez de um produto comercial, foi usado um phosphorus doped spin-on glass feito manualmente
  • Em uma amostra de teste, antes do tratamento era difícil confirmar continuidade com um multímetro
  • Depois do tratamento, foi confirmada uma condutividade muito alta
  • O resultado ficou próximo de um nível de dopagem muito elevado
• A mesma solução foi revestida neste chip e passou por bake com aumento gradual de temperatura
  • O objetivo era remover solventes e evitar trincas e tensões
• Durante a síntese, surgiram algumas poucas precipitações vítreas
  • Foi mencionado que eram em grande parte um fenômeno visual e sem grande impacto
  • Também foi dito que, na próxima vez, seria mais adequado removê-las por filtração
• Foi criado um calculador para prever a profundidade de dopagem e modelar o perfil de dopagem
  • O objetivo era obter um perfil mais raso
• Para isso, foi feito annealing a 1.100°C por 5 minutos e depois remoção do spin-on glass com HF
  • Em seguida, foi realizado um drive-in anneal a 1.000°C por 10 minutos

Processo intermediário: óxido de porta e contatos

• Após formar fonte e dreno, foi realizado o processo da região de porta do transistor e da região do capacitor
  • Como a camada vítrea permanecia, liftoff resist e fotoresiste foram aplicados novamente em sequência
• A região do canal foi formada alinhada entre a fonte e o dreno já existentes
  • Ao mesmo tempo, a região do capacitor de armazenamento de carga acima do transistor também foi alinhada e exposta
• Após a revelação, foi usado HF para remover o óxido intermediário entre fonte e dreno e também o óxido adjacente ao capacitor
  • O óxido nessas posições era espesso demais, então eram necessários um óxido de porta e um óxido do capacitor com espessura adequada
• Foi feito um piranha clean para a limpeza da região do canal, a etapa mais importante
  • É uma limpeza que remove com força materiais orgânicos da superfície e a maior parte dos metais
• O chip voltou ao forno para o crescimento do óxido de porta e do óxido do capacitor
  • Buscava-se um óxido fino para maior capacitância e melhor controle da porta
  • Um processo de 38 minutos a 950°C formou um óxido de 200 angströms, ou 20 nanômetros
  • Fora do dispositivo, um óxido mais espesso foi mantido
• Depois disso, foi realizado o processo de corte de contato, que abre seletivamente o óxido para conexões elétricas
  • LOR e fotoresiste foram aplicados e submetidos a bake
  • A máscara de corte de contato foi alinhada e exposta, formando pequenas aberturas
  • O HF removeu a camada vítrea sobre a superfície do silício através dessas aberturas, criando os caminhos de conexão elétrica

Processo final: deposição de metal e conclusão do dispositivo

• No nível final, foi feita deposição de metal para criar a porta do transistor, os contatos elétricos e o eletrodo do capacitor
  • Novamente foram aplicados LOR e fotoresiste com bake, seguidos do alinhamento e da exposição da máscara final
• Enquanto os processos anteriores eram focados em remover material, esta etapa usa as aberturas no fotoresiste como um estêncil
  • O princípio é parecido com o de um estêncil de tinta, formando material apenas nas posições necessárias
• O metal usado foi alumínio
  • Em um sistema de sputtering, o argônio atinge o alvo metálico e deposita átomos de metal sobre a superfície da amostra
  • O revestimento ficou uniforme, exceto em algumas áreas perto da borda da amostra onde havia fita
• Em seguida, o fotoresiste foi removido com DMSO aquecido para fazer o lift-off
  • O metal se dobra e se desprende, restando apenas o padrão desejado
• A observação em microscópio confirmou a estrutura completa do arranjo de DRAM, incluindo transistor, capacitor e interconexões
  • A estrutura em corte também corresponde ao conceito inicial
  • O transistor controla o fluxo de corrente e carrega o capacitor de armazenamento, permitindo guardar um bit de dado

Resultados das medições e limitações

• As características elétricas foram avaliadas com equipamento de teste interno e um analisador de parâmetros semicondutores
  • Como se trata de um dispositivo em nanoescala, foram usados micromanipuladores com pontas de prova finas em vez de fios comuns
• Na medição do transistor, foram observadas curvas de corrente diferentes conforme a tensão de porta
  • Foi confirmada a característica de chaveamento, com quase nenhuma corrente em alguns casos e correntes maiores em outros, dependendo da tensão de porta
  • Para uso como RAM, o funcionamento básico liga/desliga já é suficiente
• No entanto, ao contrário de um transistor comum, não apareceu saturação de corrente, e a corrente continuou aumentando em tensões mais altas
  • Ocorreu punch through, um tipo de short channel effect
  • Como a distância entre fonte e dreno era menor que 1 micrômetro, o aumento da tensão praticamente conecta as duas regiões
  • Isso leva ao aumento de corrente e à perda de controle pela porta
  • Em tensões baixas o dispositivo ainda funciona, mas isso também expõe a dificuldade da miniaturização
• O capacitor foi medido com um CV plotter
  • A capacitância foi medida enquanto a tensão era variada
  • A capacitância máxima registrada foi de 12,3 pF
  • Um valor próximo do ideal teórico projetado, na faixa de pouco mais de 10 pF
• Quando operado em conjunto como célula de DRAM individual, o transistor carregou o capacitor de armazenamento até 3 V em algumas centenas de nanossegundos
  • Depois disso, a tensão caiu gradualmente com o tempo
  • A carga foi mantida por apenas pouco mais de 2 ms
  • Depois desse ponto, foi necessário recarregar
• DRAMs comerciais conseguem manter a carga por mais de 64 ms
  • Este projeto exige refresh em frequência mais alta
• Foi afirmado que esta é a primeira vez que se faz RAM em casa
  • No momento, trata-se de uma etapa de comprovação de funcionamento com apenas algumas células
  • Ainda não é um nível capaz de rodar Doom em um PC
• O próximo passo é conectar as células para expandir para um arranjo maior
  • Depois disso, há planos de conectá-lo a um PC

[cgl00]

O preço da RAM subiu tanto que agora vou ter que fabricar em casa para usar ^^

[GN⁺]

Comentários do Hacker News

• Dá até vontade de fazer a piada de que eu só compro DRAM artesanal de pasto livre
  • Pensando bem, core memory era literalmente memória tecida. Tinha até tricô e miçangas envolvidos, e dá para ver essa história neste artigo
  • Sinceramente, acho que todo mundo tem um pequeno engenheiro interior que quer construir a própria sala limpa de semicondutores
  • Realmente parece que estamos vivendo em tempos maravilhosos
  • Eu preferi o trocadilho de que, em vez de RAM de gado a pasto, eu só aceito raw RAM
  • A piada de que minha DRAM vem de um RAM ranch também foi bem boa
    • Eu ainda completei dizendo que compro direto dos Amish aqui da região
• Pelo visto, esse criador montou algo inspirado no HackerFab, um conjunto open source de ferramentas para fabricação de chips. É um projeto excelente, e acho que vale muito a pena ver também docs.hackerfab.org/home
• Vi esse vídeo ontem e pensei em postar, mas não tinha certeza se combinava com o HN Em outro vídeo, ele mostra como constrói um laboratório com sala limpa num galpão comum no quintal, e foi impressionante. Ver a contagem de partículas cair com pressão positiva no quintal pareceu quase mágica
  • O mais engraçado é ter achado que uma história sobre montar uma sala limpa para RAM num galpão não combinaria com o Hacker News, que é literalmente "news for nerds"
  • Se ainda não viu, recomendo muito Indistinguishable From Magic: Manufacturing Modern Computer Chips É um vídeo mais antigo, mas ainda não acho que exista uma versão moderna à altura dele. Já postei no HN algumas vezes e, embora a repercussão nunca tenha sido grande, eu ainda acho isso completamente fascinante e de cair o queixo
  • Eu acho que, se algo te parece interessante, já vale a pena postar. Depois é só deixar o sistema de votos decidir
  • Sinceramente, esse é exatamente o tipo de conteúdo que eu queria ver por aqui
  • Recentemente teve até post sobre bonsai, então uma história sobre fazer RAM em casa me parece muito mais relevante para o HN
• Minha linha do tempo mental do futuro é assim: em 1999 eu sonhava com flying cars, em 2024 estamos falando de robôs por causa de LLM, e em 2026 acabamos vendo como fazer RAM em casa
  • Em 2027, dá até para brincar que vamos usar RAM caseira para turbinar um LLM e mandar ele projetar um flying car
  • Também dá para imaginar que, em 2027, software e hardware just-in-time serão produzidos juntos
  • E em 2030 o flying car talvez vire basicamente um drone armado e o homefab seja proibido, numa piada mais distópica
• Engraçado pensar que provavelmente não era esse o sentido de trazer a manufatura de volta para os EUA de que as pessoas falavam
  • Brincadeiras à parte, se alguém conseguiu montar uma sala limpa própria num galpão e ainda fabricar RAM, o que exatamente está impedindo as empresas de entrar nesse mercado? Mesmo com um pouco menos de certificação formal, eu toparia comprar uma RAM mais barata se ela realmente funcionasse
  • Já já vamos ter uma fornalha de semicondutores em cada quintal, como sátira política
• Eu entendo a parte de carregar um capacitor com carga e, como ela vaza, ter de recarregá-lo periodicamente Só não entendo bem como o valor é lido e como o refresh é feito. Ainda não tenho uma intuição completa para transistores, mas mesmo assim esse vídeo foi incrível
  • Pelo meu entendimento, o método é medir quanta carga ainda existe antes que ela desapareça por completo Como a própria medição rouba parte da carga, o chip DRAM inclui circuitos para gravar o valor de volta. Se deveria ser 1, ele recarrega; se deveria ser 0, descarrega. Refresh e leitura comum são quase a mesma coisa; a diferença é que, na leitura comum, o valor também é enviado para os pinos de saída No vídeo, ele ainda mostrou só a matriz básica de capacitores e transistores, então imagino que os circuitos de leitura e regravação devam aparecer no próximo vídeo
  • Para mim, dá para entender o transistor quase como uma porta AND Se as condições no source e no gate estiverem certas, a carga pode se mover para o drain, então dá para conectar a carga do capacitor a outro transistor e verificar se ela ainda está lá. Esse sinal no drain também pode acionar a lógica e recarregar o capacitor que acabou de enfraquecer durante a leitura Estritamente falando, é mais correto explicar isso em termos de tensão em relação ao terra de referência do que como movimento de carga
  • A explicação de Principles of operation na Wikipedia resume bem o funcionamento da DRAM O ponto central é tirar de propósito um pouco da carga do capacitor de armazenamento para amplificá-la, e então realimentar parte dessa carga amplificada de volta para o armazenamento
  • Para entender transistores, basta pegar alguns pontos-chave Dois condutores próximos, separados por um isolante, formam um capacitor, e a energia carregada fica armazenada no campo elétrico. E esse campo elétrico é justamente o cerne do funcionamento de um field effect transistor Se a camada isolante for fina o bastante, aparece corrente de fuga, e em escala nanométrica dá até para detectar o tunelamento de elétrons individuais, o que é fascinante
  • Uma DRAM real é composta por uma grande matriz de capacitores minúsculos e por chaves que conectam uma linha por vez aos fios de coluna Como a capacitância dos próprios fios é maior que a dos capacitores de armazenamento, primeiro os fios são pré-carregados a uma tensão de referência; depois, ao conectar a linha selecionada, a carga do capacitor se espalha pelo fio e a tensão muda só um pouquinho. O sense amplifier então amplifica essa pequena variação para 0 ou 1 e, nesse próprio processo, também restaura a tensão do capacitor conectado, fazendo o papel de refresh A matriz 4x5 do vídeo provavelmente usa capacitores centenas de vezes maiores que os de uma DRAM real de 64 Kbit, para permitir implementar os circuitos de leitura fora do chip em episódios futuros
• Achei perfeita a frase: "agora não existe mais DownloadMoreRAM, existe só um cara qualquer num galpão no quintal" downloadmoreram.com
  • Se você montar o Google Drive e mover o swap file para lá, a piada não fica tecnicamente correta, mas chega perto o suficiente
  • Se colocarem uma página de preços nisso, acho que realmente apareceria gente comprando. Principalmente agora, com a demanda enorme por RAM e CPU por causa de LLM embarcado
  • Com o preço da memória do jeito que está, dá até para brincar que pode voltar uma oportunidade de negócio no estilo SoftRAM 95
• Essa pessoa parece ser prova de que até um iniciante no YouTube ainda pode dar certo se encontrar o nicho certo
  • Claro, desde que a premissa seja realmente fazer algo tão insano quanto construir uma sala limpa num galpão
  • No fim das contas, acho que a essência da criação de conteúdo sempre foi o próprio conteúdo. Se você fizer algo especial e envolvente, o público vem
  • Só fico curioso porque esse vídeo parece estar travado atrás de um convite de US$ 10/mês no Patreon, mas mesmo assim mostra algo como 329.611 visualizações. Fico pensando se isso significa mesmo US$ 3 milhões por mês ou se, na prática, não funciona de forma tão simples
• A produção de semicondutores no quintal pareceu bastante parecida com fazer churrasco no quintal Aquecer, fazer uma espécie de defumação por difusão, injetar coisas e empilhar camadas — a comparação foi boa demais
• Dá até vontade de torcer para que essa história não chegue ao OpenAI, porque parece que eles comprariam todo o estoque do cara
  • E aí talvez começassem a alugar preventivamente todos os galpões dos quintais dos EUA

[cronex]

Parece que os comentários estão fazendo trocadilhos com lamb. D-RAM de criação livre, fazenda de ovelhas, alimentação com pasto, carne fresca etc....

[yangeok]

kkkkkkk, que pessoal divertido