Cómo hacer RAM en casa [video]

• Se fabricó una celda DRAM con equipo doméstico y un proceso armado directamente, para comprobar el funcionamiento de la estructura básica de RAM que combina un transistor y un capacitor
• Se realizaron paso a paso procesos de semiconductores como corte de oblea de silicio, formación de óxido, fotolitografía, grabado en seco, dopado con fósforo, crecimiento del óxido de compuerta, corte de contactos y deposición de aluminio
• En las mediciones del dispositivo terminado se confirmaron características de conmutación donde la corriente cambia según el voltaje de compuerta, y una capacitancia máxima de 12.3 pF
• En la operación de una celda DRAM individual, el capacitor de almacenamiento se cargó hasta 3 V en unos cientos de nanosegundos, y la carga se mantuvo por un poco más de 2 ms antes de requerir una nueva carga
• Aunque no alcanza el tiempo de retención de más de 64 ms de la DRAM comercial y también mostró límites de miniaturización como punch through, se obtuvo un punto de partida para ampliar un pequeño arreglo de RAM hecho en casa

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Estructura de la DRAM y objetivo de fabricación

• Una celda DRAM tiene una estructura en la que se colocan un transistor y un capacitor de almacenamiento de carga en cada intersección de un arreglo compuesto por filas y columnas
  • El transistor actúa como interruptor
  • El capacitor almacena carga como una batería para guardar 1 bit de información
  • Al encender el transistor, el capacitor se carga, y al volver a encenderlo para leer, la carga puede fluir en sentido inverso y detectarse
  • Como en el proceso de lectura la carga del capacitor se pierde, se necesita refresh periódico
• El objetivo de fabricación es una estructura pequeña basada en un layout de 5x4 arreglos que luego pueda unirse a otros
  • En cada intersección se colocan un transistor y un capacitor
  • La meta final para la longitud de compuerta del transistor es quedar apenas por debajo de 1 micra
• En el plano de diseño, cada color representa una capa distinta, y el dispositivo se forma con un proceso de apilado tipo sándwich en el que se agregan las capas una por una

Proceso inicial: preparación del silicio y dopado

• Se usó una oblea de silicio como material de partida, y se cortó en chips pequeños con un diamond scribe
  • Se aprovechó la propiedad del silicio de fracturarse bien a lo largo de ciertos planos cristalinos
• Después del corte, se realizó una limpieza con acetona e isopropanol para eliminar contaminantes de la superficie
  • Con el objetivo de quitar partículas y disolver materiales orgánicos
  • Como después sigue una etapa que convierte la superficie de silicio en vidrio, no se requiere una limpieza totalmente perfecta
• El chip se colocó en un horno y se calentó a 1,100°C para formar una capa de óxido de 3,300 angstroms en la superficie
  • Es un método que hace crecer una capa vítrea oxidando el silicio
  • Ese óxido sirve después como máscara y capa de protección
• Sobre la superficie con la capa de vidrio se aplicó primero liftoff resist, usándolo como una capa de adhesión
  • Aunque es un material pensado originalmente para lift-off de metal, también funciona bien como capa de adhesión
  • Se hizo un bake de 5 minutos a 170°C
• Encima se aplicó photoresist por spin coating y luego un bake de 2 minutos a 100°C
  • Se formó una película uniforme con un espesor apenas superior a 1 micra
• Se formó el primer nivel de patrón usando UV y una máscara
  • La luz que pasa por las aberturas de la máscara expone el photoresist
  • En el revelador se eliminan las zonas expuestas y así se forma el patrón
  • Un sistema stepper microscópico proyecta el patrón en reducción, y software hecho por el usuario controla el enfoque y la exposición
  • También se usó equipo robótico para lograr un revelado más uniforme
• Se realizó grabado en seco usando el photoresist patronado como máscara
  • Se eliminó selectivamente la capa de vidrio para exponer la superficie de silicio
• Después del grabado, se retiró el photoresist con DMSO caliente
  • El resultado fue una estructura con ventanas abiertas en el óxido de 3,300 angstroms
• Esas ventanas en el óxido se usaron para formar la fuente y el drenaje del transistor
  • La fuente y el drenaje actúan como terminales de entrada y salida del interruptor
  • La compuerta se forma después en la región central
• Se introdujo fósforo en el silicio para aumentar la conductividad de esas regiones
  • En la industria también se usa implantación iónica, pero aquí no se aplicó por costo y tamaño del equipo
• En lugar de un producto comercial se usó un phosphorus doped spin-on glass hecho a mano
  • En la muestra de prueba, antes del tratamiento era difícil verificar continuidad con un multímetro
  • Después del tratamiento se confirmó una conductividad muy alta
  • Se obtuvo un resultado cercano a un nivel de dopado muy elevado
• Se recubrió el chip principal con la misma solución y se hizo un bake con aumento gradual de temperatura
  • Para eliminar solventes y evitar grietas y tensiones
• Durante la síntesis aparecieron algunos precipitados de vidrio
  • Se menciona que en su mayoría son un fenómeno visual y que no tendrían gran impacto
  • También se comenta que la próxima vez sería mejor retirarlos con filtrado
• Se creó una calculadora para predecir la profundidad de dopado y se modeló el perfil de dopado
  • El objetivo era obtener un perfil más superficial
• Para ello se hizo un annealing de 5 minutos a 1,100°C y luego se retiró el spin-on glass con HF
  • Después se realizó un drive-in annealing de 10 minutos a 1,000°C

Proceso intermedio: óxido de compuerta y contactos

• Tras formar la fuente y el drenaje, se avanzó con el proceso de la región de compuerta del transistor y la región del capacitor
  • Como aún quedaba la capa de vidrio, se volvieron a aplicar en secuencia liftoff resist y photoresist
• La región del canal se formó alineándola entre la fuente y el drenaje existentes
  • Al mismo tiempo también se alineó y expuso la región del capacitor de almacenamiento de carga situada sobre el transistor
• Después del revelado, se eliminó con HF el óxido intermedio entre fuente y drenaje, así como el óxido adyacente al capacitor
  • El óxido en esas posiciones era demasiado grueso, por lo que se necesitaban un óxido de compuerta y un óxido de capacitor con espesor ajustado
• Se realizó una piranha clean para limpiar la región del canal, que es la más importante
  • Es una limpieza que elimina con fuerza materiales orgánicos y la mayoría de los metales de la superficie
• Luego se volvió a colocar en el horno para hacer crecer el óxido de compuerta y el del capacitor
  • Se buscó un óxido delgado para obtener mayor capacitancia y mejor control de compuerta
  • Con un proceso de 38 minutos a 950°C se formó un óxido de 200 angstroms, es decir, 20 nanómetros
  • Fuera del dispositivo se mantuvo un óxido más grueso
• Después se realizó el proceso de corte de contactos, que abre selectivamente el óxido para las conexiones eléctricas
  • Se aplicaron y hornearon LOR y photoresist
  • Se alineó y expuso la máscara de corte de contactos para formar pequeñas aberturas
  • El HF eliminó la capa de vidrio sobre la superficie de silicio a través de esas aberturas y creó rutas de conexión eléctrica

Proceso final: deposición de metal y finalización del dispositivo

• En el nivel final se realizó una deposición de metal para formar la compuerta del transistor, los contactos eléctricos y el electrodo del capacitor
  • Se volvieron a aplicar y hornear LOR y photoresist, y después se alineó y expuso la máscara final
• Mientras que los procesos anteriores se centraban en quitar material, esta etapa usa las aberturas del photoresist como un stencil
  • Es un principio similar al de una plantilla de pintura, formando material solo donde se necesita
• El metal usado fue aluminio
  • En un sistema de sputtering, el argón golpea el target metálico y deposita átomos de metal sobre la superficie de la muestra
  • El recubrimiento fue uniforme excepto en algunas zonas del borde donde había cinta
• Después se retiró el photoresist con DMSO caliente para hacer el lift-off
  • El metal se dobló y se desprendió, dejando solo el patrón deseado
• La observación al microscopio confirmó la estructura completa del arreglo DRAM, incluyendo transistor, capacitor y conexiones
  • La estructura en sección también corresponde al esquema conceptual inicial
  • El transistor controla el flujo de corriente y carga el capacitor de almacenamiento, permitiendo guardar un bit de datos

Resultados de medición y limitaciones

• Se evaluaron las características eléctricas con equipo de prueba de laboratorio y un analizador de parámetros de semiconductores
  • Como se trata de dispositivos a nanoescala, se usaron micromanipuladores con puntas de sonda fina en lugar de cables comunes
• En la medición del transistor se observaron distintas curvas de corriente según el voltaje de compuerta
  • Se obtuvieron características de conmutación donde casi no circula corriente o circula una corriente mayor dependiendo del voltaje de compuerta
  • Para uso como RAM, basta con una operación básica de encendido y apagado
• Sin embargo, no apareció saturación de corriente como en un transistor normal, y la corriente siguió aumentando a voltajes altos
  • Ocurrió punch through, un tipo de short channel effect
  • Como la distancia entre fuente y drenaje era menor de 1 micra, al aumentar el voltaje ambas regiones terminan conectándose de hecho
  • Esto provoca aumento de corriente y pérdida de control por parte de la compuerta
  • A bajos voltajes puede funcionar, pero también deja ver la dificultad de miniaturización
• El capacitor se midió con un CV plotter
  • Se midió la capacitancia variando el voltaje
  • La capacitancia máxima registrada fue de 12.3 pF
  • Un valor cercano al ideal teórico diseñado, de algo más de 10 pF
• Al hacerlo funcionar como una celda DRAM individual, el transistor cargó el capacitor de almacenamiento hasta 3 V en unos cientos de nanosegundos
  • Luego el voltaje fue disminuyendo poco a poco con el tiempo
  • La carga solo se mantuvo por un poco más de 2 ms
  • Después de eso fue necesario recargar
• La DRAM comercial puede retener la carga por más de 64 ms
  • Este diseño requiere refresh con mayor frecuencia
• Se afirma que sería la primera vez que se fabrica RAM en casa
  • Por ahora está en una etapa de demostración de funcionamiento con apenas unas cuantas celdas
  • Todavía no está al nivel de poder ejecutar Doom en una PC
• El siguiente paso es unir las celdas para ampliar a un arreglo más grande
  • Después se planea conectarlo a una PC

[cgl00]

Los precios de la RAM subieron tanto que ya vamos a tener que fabricarla en casa para usarla ^^

[GN⁺]

Comentarios en Hacker News

• Sale solo el chiste de que yo solo compro DRAM artesanal de libre pastoreo
  • Pensándolo bien, la core memory sí era literalmente memoria tejida. Incluso usaba tejido y cuentas, y se puede ver más sobre eso en este artículo
  • Si soy sincero, creo que todos llevamos dentro un pequeño ingenierito que quiere construir su propia sala limpia para semiconductores
  • De verdad se siente como un gran momento para estar vivos
  • A mí me gustó más el juego de palabras de que no quiero RAM de pastoreo, solo raw RAM
  • También está bueno el chiste de que mi DRAM viene de un RAM ranch
    • Yo hasta le agregaría que se la compro a los Amish del barrio
• Por lo que parece, este creador armó un conjunto inspirado en HackerFab, el kit de herramientas open source para fabricar chips. Es un proyecto excelente y creo que también vale mucho la pena ver docs.hackerfab.org/home
• Vi este video ayer y estuve pensando si publicarlo o no, pero no estaba seguro de que encajara en HN En otro video muestra cómo construye un laboratorio de sala limpia en un cobertizo común de patio, y de verdad fue impresionante. Ver cómo bajaba el conteo de partículas con presión positiva en el patio trasero se sintió casi como magia
  • Da risa que hayas dudado si una historia sobre construir una sala limpia para RAM en un cobertizo encajaba o no con Hacker News, que es literalmente "news for nerds"
  • Si todavía no lo viste, recomiendo muchísimo Indistinguishable From Magic: Manufacturing Modern Computer Chips Ya tiene sus años, pero todavía no he visto un video moderno que realmente lo reemplace. Lo publiqué un par de veces en HN antes y no tuvo gran respuesta, pero a mí me sigue pareciendo completamente alucinante
  • Yo creo que si a ti te parece interesante, vale la pena publicarlo. Luego ya se lo dejas al sistema de votos
  • Honestamente, este es exactamente el tipo de contenido que quiero ver aquí
  • Hace poco vi hasta un post sobre Bonsai trees en la portada, y una historia sobre fabricar RAM uno mismo me parece mucho más relacionada con HN
• La línea temporal del futuro en mi cabeza va así: en 1999 soñábamos con flying cars, en 2024 estamos hablando de robots por culpa de los LLM, y en 2026 terminamos viendo cómo hacer RAM en casa
  • En 2027 podremos actualizar un LLM con RAM hecha en casa y ponerlo a diseñar un flying car
  • También se puede imaginar que en 2027 habrá software y hardware just-in-time hechos al mismo tiempo
  • Y en 2030 el flying car termina siendo en la práctica un dron armado y el homefab quizá se vuelve ilegal; ahí ya entra el chiste distópico
• Me dio risa pensar que esto no era exactamente lo que la gente quería decir con el regreso de la manufactura a Estados Unidos
  • Bromas aparte, si alguien pudo montar una sala limpia propia en un cobertizo y hasta fabricar RAM, me hace preguntarme qué es exactamente lo que impide a las empresas entrar al mercado Incluso con un poco menos de certificación formal, dan ganas de pensar que si funciona de verdad, yo sí compraría RAM más barata
  • También salió el chiste medio satírico de que ahora cada patio trasero va a tener su propio semiconductor furnace
• Entiendo la parte de cargar un capacitor y que, como tiene fugas, hay que volver a cargarlo periódicamente Pero no entiendo bien cómo se lee el valor ni cómo se hace el refresh. Los transistores todavía no me terminan de cerrar, pero aun así este video estuvo increíble
  • Según entiendo, la idea es medir cuánta carga queda antes de que desaparezca por completo Como la medición en sí roba parte de la carga, el chip DRAM incluye circuitos que vuelven a escribir el valor. Si debía ser 1, lo recarga; si debía ser 0, lo descarga. El refresh y la lectura normal son casi lo mismo, salvo que en la lectura normal también se envía ese valor a los pines de salida En el video todavía solo muestran la disposición básica de capacitores y transistores, así que imagino que el circuito de lectura y reescritura saldrá en el próximo video
  • A mí me sirve pensar en un transistor básicamente como una AND gate Si se cumplen las condiciones del lado source y gate, la carga puede moverse al drain; entonces puedes conectar la carga del capacitor a otro transistor para comprobar si todavía queda algo. Con la señal del drain también puedes manejar lógica y volver a cargar el capacitor que acabas de debilitar al leerlo Estrictamente hablando, también conviene aclarar que es más preciso explicarlo en términos de voltaje respecto a tierra que como simple movimiento de carga
  • La explicación de Principles of operation en Wikipedia resume bastante bien cómo funciona la DRAM La idea clave era sacar intencionalmente una pequeña parte de la carga del capacitor de almacenamiento para amplificarla, y luego realimentar parte de esa carga amplificada al almacenamiento
  • Para entender un transistor basta con agarrar unas cuantas ideas clave Dos conductores cercanos separados por un aislante forman un capacitor, y la energía cargada se almacena en el campo eléctrico. Y justamente ese campo eléctrico es el núcleo del funcionamiento de un field effect transistor Si la capa aislante es lo bastante delgada, aparece corriente de fuga, y a escala de nanómetros incluso se puede detectar el túnel de electrones individuales, lo cual es bastante interesante
  • Una DRAM real está compuesta por una gran matriz de capacitores diminutos y por interruptores que conectan una fila a la vez al cableado de columnas Como la capacitancia del propio cableado es mayor que la del capacitor de almacenamiento, primero se precarga el cableado a un voltaje de referencia y luego se conecta la fila seleccionada; así, la carga del capacitor se reparte hacia el cableado y el voltaje cambia apenas un poco. El sense amplifier amplifica ese cambio minúsculo hasta convertirlo claramente en 0 o 1, y ese mismo proceso también restaura el voltaje del capacitor conectado, así que cumple la función de refresh Se estima que la matriz 4x5 del video usa capacitores cientos de veces más grandes que los de una DRAM real de 64 Kbit, probablemente para que en una entrega posterior puedan implementar el circuito de lectura fuera del chip
• Me pareció demasiado acertada la frase: "ya no existe DownloadMoreRAM, ahora solo hay algún tipo en un cobertizo en el patio trasero" downloadmoreram.com
  • Si montas Google Drive y mueves ahí el swap file, quizá no sea exactamente lo mismo, pero como chiste se acerca bastante
  • Si le pusieras una pricing page, siento que de verdad habría gente que lo compraría. Sobre todo ahora que la demanda de RAM y CPU está tan alta por los embedded LLM
  • Con los precios actuales de la memoria, hasta podría volver una oportunidad de negocio tipo SoftRAM 95, como broma
• Esta persona parece una prueba de que incluso un novato en YouTube todavía puede triunfar si encuentra un nicho adecuado
  • Claro, con la condición de que realmente hagas algo gigantesco, como construir una sala limpia en un cobertizo
  • Al final siento que la esencia de crear contenido siempre ha sido el contenido mismo. Si haces algo especial e inmersivo, la audiencia llega
  • Eso sí, el video parece estar bloqueado detrás de una invitación a Patreon de $10/month, y aun así tiene algo como 329,611 vistas, así que me da curiosidad si de verdad es un modelo que genera 3 millones de dólares al mes o si en realidad no es tan simple
• La producción de semiconductores en el patio trasero se veía bastante parecida a hacer una parrillada en el patio Calentar, hacer una especie de difusión como humo, inyectar cosas y apilar capas: la comparación estuvo muy bien lograda
• Esto dan ganas de decir que ojalá OpenAI no se entere. Capaz le compra todo el inventario a esa persona
  • Y entonces se pondría a acaparar en arriendo primero todos los sheds de Estados Unidos

[cronex]

Parece que los comentarios están haciendo juegos de palabras con lamb. D-RAM de libre pastoreo, granja de ovejas, alimentado con pasto, carne fresca, etc....

[yangeok]

jajajaja, qué gente tan divertida