Membuat RAM di Rumah [Video]

• Membuat sel DRAM dengan peralatan rumahan dan proses rakitan sendiri, lalu memverifikasi kerja struktur dasar RAM yang menggabungkan transistor dan kapasitor
• Menjalankan proses semikonduktor langkah demi langkah mulai dari pemotongan wafer silikon, pembentukan oksida, fotolitografi, etsa kering, doping fosfor, pertumbuhan oksida gerbang, contact cut, hingga deposisi aluminium
• Pengukuran perangkat jadi menunjukkan karakteristik switching di mana arus berubah sesuai tegangan gerbang, serta kapasitansi maksimum 12.3 pF
• Pada pengoperasian sel DRAM tunggal, kapasitor penyimpanan terisi hingga 3V dalam beberapa ratus nanodetik, lalu muatannya bertahan selama sedikit lebih dari 2 ms sebelum perlu diisi ulang
• Meski belum mencapai waktu retensi komersial DRAM yang melebihi 64 ms dan juga memperlihatkan batas miniaturisasi seperti punch through, proyek ini menjadi titik awal untuk memperluas array RAM kecil buatan rumah

---

Struktur DRAM dan tujuan pembuatan

• Sel DRAM memiliki struktur yang menempatkan transistor dan kapasitor penyimpan muatan di tiap titik perpotongan array yang tersusun dalam baris dan kolom
  • Transistor berfungsi sebagai sakelar
  • Kapasitor menyimpan muatan seperti baterai untuk menampung informasi 1 bit
  • Saat transistor dinyalakan, kapasitor akan terisi, dan saat dinyalakan lagi untuk dibaca, muatan dapat mengalir balik untuk dideteksi
  • Karena muatan kapasitor berkurang saat proses baca, diperlukan refresh secara periodik
• Target pembuatannya adalah struktur kecil berbasis layout array 5x4 yang nantinya bisa disambung lebih lanjut
  • Transistor dan kapasitor ditempatkan di setiap titik perpotongan
  • Panjang gerbang transistor target akhirnya sedikit di bawah 1 mikron
• Pada diagram desain, tiap warna menunjukkan lapisan berbeda, dan perangkat dibentuk lewat proses pelapisan bertingkat seperti sandwich dengan menumpuk lapisan satu per satu

Proses awal: persiapan silikon dan doping

• Menggunakan wafer silikon sebagai material awal, lalu memotongnya menjadi chip kecil dengan diamond scribe
  • Memanfaatkan sifat silikon yang mudah terbelah mengikuti bidang kristal tertentu
• Setelah dipotong, dilakukan pembersihan berbasis aseton dan isopropanol untuk menghilangkan kotoran permukaan
  • Bertujuan menghilangkan partikel dan melarutkan bahan organik
  • Karena setelah ini permukaan akan diubah dari silikon menjadi kaca, pembersihan yang benar-benar sempurna tidak diwajibkan
• Chip dimasukkan ke furnace dan dipanaskan pada 1,100°C untuk membentuk oksida setebal 3,300 angstrom di permukaan
  • Caranya dengan mengoksidasi silikon untuk menumbuhkan lapisan kaca
  • Lapisan oksida ini kemudian berfungsi sebagai masker dan lapisan pelindung
• Di atas permukaan yang sudah memiliki lapisan kaca, liftoff resist dilapiskan terlebih dahulu dan dipakai seperti lapisan adhesi
  • Walau aslinya material untuk metal liftoff, bahan ini juga bekerja baik sebagai lapisan perekat
  • Dilakukan baking 5 menit pada 170°C
• Di atasnya, photoresist di-spin coat lalu dibake 2 menit pada 100°C
  • Membentuk lapisan tipis seragam dengan ketebalan sedikit di atas 1 mikron
• Level pola pertama dibentuk dengan UV dan masker
  • Cahaya yang melewati bukaan masker mengekspos photoresist
  • Bagian yang terekspos dihilangkan dalam developer sehingga pola terbentuk
  • Sistem stepper mikroskop memproyeksikan pola dalam ukuran diperkecil, dan perangkat lunak buatan pengguna mengontrol fokus serta eksposur
  • Peralatan robotik digunakan untuk menghasilkan proses developing yang lebih seragam
• Dengan photoresist berpola sebagai masker, dilakukan etsa kering
  • Lapisan kaca dihilangkan secara selektif untuk mengekspos permukaan silikon
• Setelah etsa, photoresist dihilangkan dengan DMSO panas
  • Hasilnya adalah struktur dengan jendela yang terbuka pada oksida setebal 3,300 angstrom
• Melalui jendela oksida ini dibentuk source dan drain transistor
  • Source dan drain berperan sebagai terminal input dan output pada sakelar
  • Gerbang nantinya dibentuk di area tengah
• Fosfor dimasukkan ke silikon untuk meningkatkan konduktivitas area tersebut
  • Industri biasanya juga memakai implantasi ion, tetapi metode itu tidak dipakai karena biaya dan skala peralatannya
• Digunakan phosphorus doped spin-on glass buatan sendiri, bukan produk komersial
  • Pada sampel uji, sebelum perlakuan kontinuitas sulit dikonfirmasi dengan multimeter
  • Setelah perlakuan, konduktivitas yang sangat tinggi terkonfirmasi
  • Diperoleh hasil yang mendekati tingkat doping yang sangat tinggi
• Larutan yang sama dilapiskan pada chip ini juga, lalu dibake sambil suhu dinaikkan perlahan
  • Bertujuan menghilangkan pelarut serta mencegah retak dan tegangan
• Dalam proses sintesis, muncul sejumlah kecil endapan kaca
  • Disebut kebanyakan hanya fenomena tampilan dan dampaknya tidak besar
  • Disebut pula bahwa lain kali lebih baik dihilangkan lewat filtrasi
• Dibuat kalkulator prediksi kedalaman doping untuk memodelkan profil doping
  • Targetnya adalah profil yang lebih dangkal
• Untuk itu dilakukan annealing 5 menit pada 1,100°C lalu spin-on glass dihilangkan dengan HF
  • Setelah itu dilakukan drive-in annealing 10 menit pada 1,000°C

Proses tengah: oksida gerbang dan contact

• Setelah source dan drain terbentuk, proses berlanjut ke area gerbang transistor dan area kapasitor
  • Karena lapisan kaca masih ada, liftoff resist dan photoresist kembali dilapiskan secara berurutan
• Area kanal dibentuk selaras di antara source dan drain yang sudah ada
  • Bersamaan dengan itu, area kapasitor penyimpan muatan di atas transistor juga diselaraskan dan diekspos
• Setelah developing, HF digunakan untuk menghilangkan oksida tengah di antara source dan drain, serta oksida di dekat kapasitor
  • Oksida di lokasi tersebut terlalu tebal, sehingga dibutuhkan oksida gerbang dan oksida kapasitor dengan ketebalan yang sesuai
• Untuk membersihkan area kanal yang paling penting, dilakukan piranha clean
  • Pembersihan ini secara agresif menghilangkan bahan organik dan sebagian besar logam dari permukaan
• Lalu chip dimasukkan lagi ke furnace untuk menumbuhkan oksida gerbang dan kapasitor
  • Ditargetkan oksida tipis untuk kapasitansi yang lebih tinggi dan kontrol gerbang yang lebih baik
  • Proses 38 menit pada 950°C menghasilkan oksida setebal 200 angstrom, yaitu 20 nanometer
  • Di luar perangkat, lapisan oksida yang lebih tebal tetap dipertahankan
• Setelah itu dilakukan proses contact cut untuk membuka oksida secara selektif demi koneksi listrik
  • LOR dan photoresist dilapiskan lalu dibake
  • Masker contact cut disejajarkan dan diekspos untuk membentuk bukaan kecil
  • HF menghilangkan lapisan kaca pada permukaan silikon melalui bukaan tersebut sehingga jalur koneksi listrik terbentuk

Proses akhir: deposisi logam dan penyelesaian perangkat

• Pada level terakhir, dilakukan deposisi logam untuk membuat gerbang transistor, contact listrik, dan elektroda kapasitor
  • Sekali lagi LOR dan photoresist dilapiskan serta dibake, lalu masker terakhir disejajarkan dan diekspos
• Jika proses sebelumnya berfokus pada penghilangan material, tahap ini memakai bukaan photoresist sebagai stencil
  • Prinsipnya mirip stencil cat, yaitu membentuk material hanya di lokasi yang dibutuhkan
• Logam yang digunakan adalah aluminium
  • Dalam sistem sputter, argon menumbuk target logam sehingga atom logam terdeposisi di permukaan sampel
  • Pelapisan berlangsung merata kecuali di sebagian area tepi sampel tempat ada pita perekat
• Setelah itu, photoresist dihilangkan dengan DMSO panas untuk melakukan liftoff
  • Logam tertekuk dan terangkat, menyisakan hanya pola yang diinginkan
• Hasil pengamatan mikroskop menunjukkan keseluruhan struktur array DRAM termasuk transistor, kapasitor, dan koneksinya
  • Struktur penampangnya juga sesuai dengan diagram konsep awal
  • Transistor mengontrol aliran arus dan mengisi kapasitor penyimpanan sehingga bit data dapat disimpan

Hasil pengukuran dan keterbatasan

• Karakteristik listrik dievaluasi dengan peralatan uji dalam ruangan dan semiconductor parameter analyzer
  • Karena perangkat berskala nano, digunakan micromanipulator dengan ujung probe halus alih-alih kabel biasa
• Pada pengukuran transistor, terlihat kurva arus yang berbeda sesuai tegangan gerbang
  • Diperoleh karakteristik sakelar di mana arus hampir nol atau menjadi lebih besar tergantung tegangan gerbang
  • Untuk penggunaan RAM, operasi on-off dasar sudah memadai
• Namun, tidak muncul saturasi arus seperti pada transistor biasa, dan pada tegangan tinggi arus terus meningkat
  • Terjadi punch through, salah satu bentuk short channel effect
  • Karena jarak antara source dan drain kurang dari 1 mikron, kenaikan tegangan membuat kedua area itu pada dasarnya saling terhubung
  • Hal ini menyebabkan arus meningkat dan kontrol gerbang melemah
  • Pada tegangan rendah perangkat masih dapat bekerja, tetapi ini juga menunjukkan sulitnya miniaturisasi
• Kapasitor diukur dengan CV plotter
  • Kapasitansi diukur sambil mengubah tegangan
  • Kapasitansi maksimum tercatat 12.3 pF
  • Nilainya dekat dengan nilai ideal teoretis rancangan yang berada di kisaran belasan pF
• Saat dioperasikan bersama sebagai sel DRAM tunggal, transistor mengisi kapasitor penyimpanan hingga 3V dalam beberapa ratus nanodetik
  • Setelah itu tegangannya perlahan menurun seiring waktu
  • Muatan hanya bertahan selama sedikit lebih dari 2 ms
  • Setelah itu perlu diisi ulang
• DRAM komersial dapat mempertahankan muatan lebih dari 64 ms
  • Rancangan kali ini membutuhkan refresh dengan frekuensi yang lebih tinggi
• Disebut bahwa ini adalah pertama kalinya membuat RAM di rumah
  • Saat ini masih pada tahap pembuktian kerja untuk beberapa sel saja
  • Belum sampai tingkat yang bisa menjalankan Doom di PC
• Langkah berikutnya adalah menyambungkan sel-sel itu untuk diperluas menjadi array yang lebih besar
  • Setelah itu direncanakan akan dihubungkan ke PC

[cgl00]

Harga RAM naik terlalu tinggi, jadi sepertinya harus bikin sendiri di rumah untuk dipakai ^^

[GN⁺]

Komentar Hacker News

• Langsung kepikiran lelucon bahwa saya cuma beli artisanal DRAM yang dibesarkan secara bebas
  • Kalau dipikir-pikir, core memory memang benar-benar memori yang ditenun. Ada versi yang melibatkan rajutan dan bahkan manik-manik, dan kisah terkaitnya juga bisa dilihat di makalah ini
  • Sejujurnya, rasanya semua orang punya sedikit anak kecil engineering di dalam hati yang ingin membangun sendiri cleanroom semikonduktor
  • Benar-benar terasa seperti zaman yang menyenangkan untuk hidup
  • Saya pribadi lebih suka permainan kata yang bilang saya cuma mau raw RAM, bukan RAM yang digembalakan di padang rumput
  • Lelucon bahwa DRAM saya dipasok dari RAM ranch juga lumayan lucu
    • Saya bahkan menambahkan satu kalimat bahwa saya beli dari Amish setempat
• Kelihatannya kreator ini membuat sebuah set yang terinspirasi dari HackerFab, kumpulan alat manufaktur chip open source. Ini proyek yang benar-benar luar biasa, jadi menurut saya docs.hackerfab.org/home juga sangat layak dilihat
• Saya menonton video ini kemarin dan sempat ragu apakah akan mempostingnya, karena tidak yakin apakah ini cocok untuk HN Di video lain, ia menunjukkan proses membuat lab cleanroom di gudang halaman belakang biasa, dan itu benar-benar menakjubkan. Adegan menurunkan jumlah partikel dengan tekanan positif di halaman belakang terasa hampir seperti sihir
  • Justru lucu bahwa ada orang yang khawatir cerita tentang membuat cleanroom RAM di gudang tidak cocok untuk Hacker News yang slogannya "news for nerds"
  • Kalau belum menontonnya, saya sangat merekomendasikan Indistinguishable From Magic: Manufacturing Modern Computer Chips Memang video yang agak lama, tetapi saya rasa saya belum melihat versi modern yang benar-benar bisa menggantikannya. Saya pernah mempostingnya beberapa kali di HN dan meski responsnya tidak besar, saya masih merasa ini sangat menakjubkan sampai bikin kewalahan
  • Menurut saya, kalau itu menarik buat diri sendiri, tetap layak diposting dulu. Setelah itu tinggal serahkan pada sistem voting
  • Jujur saja, justru inilah jenis konten yang ingin saya lihat di sini
  • Belakangan saya juga melihat tulisan tentang Bonsai trees di halaman depan, dan rasanya cerita tentang membuat RAM sendiri jauh lebih relevan dengan HN
• Garis waktu masa depan di kepala saya begini. Pada 1999 kita memimpikan flying cars, pada 2024 kita bicara robot karena LLM, dan pada 2026 kita akhirnya menonton cara membuat RAM di rumah
  • Lalu muncul lelucon bahwa pada 2027 kita bisa meng-upgrade LLM dengan RAM buatan rumah, lalu memakainya untuk mendesain flying car
  • Bisa juga dibayangkan bahwa pada 2027 just-in-time software dan hardware akan dibuat bersama
  • Ada juga lelucon distopia bahwa pada 2030 flying car pada dasarnya akan menjadi drone bersenjata dan homefab mungkin akan dilarang
• Ini rasanya bukan makna kembalinya manufaktur Amerika seperti yang orang-orang maksud, dan itu yang membuatnya lucu
  • Kalau lelucon dikesampingkan, kalau ada orang yang bisa membangun cleanroom sendiri di gudang lalu memproduksi RAM, jadi penasaran apa sebenarnya yang menghalangi perusahaan memasuki pasar ini Walau sertifikasi resminya sedikit kurang, saya tetap merasa ingin membeli RAM yang lebih murah asalkan benar-benar berfungsi
  • Ada juga lelucon satire politik bahwa sebentar lagi setiap halaman belakang akan punya satu semiconductor furnace
• Saya paham sampai bagian kapasitor diisi muatan, lalu bocor sehingga harus diisi ulang secara berkala Tapi saya masih belum paham bagaimana nilainya dibaca, dan bagaimana refresh dilakukan. Saya juga masih belum sepenuhnya memahami transistor, tetapi videonya tetap sangat keren
  • Menurut pemahaman saya, caranya adalah mengukur jumlah muatan sebelum muatannya hilang sepenuhnya Karena proses pengukuran sendiri mengambil sebagian muatan, chip DRAM juga punya rangkaian untuk menulis ulang nilainya. Jika seharusnya 1 maka diisi lagi, dan jika seharusnya 0 maka dikosongkan. Refresh dan pembacaan biasa hampir sama, bedanya pembacaan biasa juga mengirim nilainya ke pin output Dalam video itu, yang ditampilkan masih sebatas susunan dasar kapasitor dan transistor, jadi rangkaian baca dan tulis ulang mungkin akan muncul di video berikutnya
  • Menurut saya transistor bisa dipahami secara kasar sebagai AND gate Jika kondisi di sisi source dan gate terpenuhi, muatan bisa bergerak ke drain, sehingga muatan kapasitor bisa dihubungkan ke transistor lain untuk memeriksa apakah masih tersisa. Sinyal di sisi drain itu lalu bisa dipakai untuk menjalankan logika dan juga mengisi ulang kapasitor yang baru saja melemah karena dibaca Secara ketat, lebih akurat menjelaskannya dalam bentuk tegangan terhadap ground acuan daripada perpindahan muatan, tambahnya
  • Untuk prinsip kerja DRAM, penjelasan Wikipedia tentang Principles of operation cukup rapi Intinya adalah sebagian muatan dari kapasitor penyimpanan sengaja diambil lalu diperkuat, dan sebagian muatan yang sudah diperkuat itu diumpankan kembali ke penyimpanan
  • Untuk memahami transistor, cukup pegang beberapa poin inti Dua konduktor yang berdekatan dengan isolator di antaranya membentuk kapasitor, dan energi yang terisi disimpan dalam medan listrik. Medan listrik itulah inti cara kerja field effect transistor Jika lapisan isolasinya cukup tipis, akan timbul arus bocor, dan pada skala nanometer bahkan menarik bahwa fenomena tunneling elektron individual bisa terdeteksi
  • DRAM nyata terdiri dari array besar kapasitor sangat kecil, dan sakelar yang menghubungkan satu baris sekaligus ke jalur kolom Karena kapasitansi jalur itu sendiri lebih besar daripada kapasitor penyimpanan, pertama-tama jalur di-precharge ke tegangan referensi, lalu ketika baris yang dipilih dihubungkan, muatan kapasitor menyebar ke jalur dan tegangannya berubah sedikit sekali. Perubahan kecil itu lalu diperbesar oleh sense amplifier menjadi 0 atau 1, dan proses itu sendiri sekaligus memulihkan tegangan kapasitor yang terhubung sehingga juga berfungsi sebagai refresh Diduga array 4x5 di video itu memakai kapasitor yang ratusan kali lebih besar daripada DRAM 64 Kbit nyata, agar pada episode lanjutan rangkaian baca bisa diimplementasikan di luar chip
• Saya merasa kalimat "Sekarang sudah tidak ada lagi DownloadMoreRAM, yang ada cuma seseorang di gudang halaman belakang" sangat pas downloadmoreram.com
  • Kalau Google Drive di-mount lalu swap file dipindahkan ke sana, secara tidak sepenuhnya ketat lelucon serupa tetap bisa jalan
  • Kalau ditambahkan pricing page di sini, rasanya benar-benar akan ada yang membeli. Terutama karena sekarang permintaan RAM dan CPU sangat besar berkat embedded LLM
  • Dengan harga memori seperti sekarang, mungkin peluang bisnis seperti SoftRAM 95 zaman dulu bisa muncul lagi, jadi bahan lelucon juga
• Orang ini tampak seperti bukti bahwa pendatang baru YouTube masih bisa berhasil jika menemukan ceruk yang tepat
  • Tentu saja dengan syarat ia benar-benar melakukan sesuatu yang luar biasa besar seperti membangun cleanroom di gudang
  • Pada akhirnya, menurut saya inti pembuatan konten memang selalu kontennya sendiri. Kalau membuat sesuatu yang istimewa dan menyerap perhatian, penonton akan datang
  • Tapi melihat video ini tampaknya terkunci di balik ajakan berlangganan Patreon $10/month namun tetap mendapat sekitar 329,611 tayangan, saya jadi penasaran apakah model ini benar-benar menghasilkan 3 juta dolar per bulan atau sebenarnya tidak sesederhana itu
• Semiconductor production di halaman belakang terlihat cukup mirip dengan barbecue di halaman belakang Analogi itu terasa pas karena sama-sama melibatkan pemanasan, difusi seperti asap, implantasi, dan penumpukan lapisan
• Ini membuat orang bercanda semoga kabar ini jangan sampai masuk ke OpenAI saja, karena mereka sepertinya akan membeli habis semua stok orang itu
  • Lalu bisa dibayangkan mereka akan lebih dulu menyewa semua sheds di seluruh Amerika Serikat

[cronex]

Sepertinya komentar-komentarnya sedang bermain kata dengan lamb.
D-RAM penggembalaan, peternakan domba, dibesarkan dengan pakan rumput, daging segar, dan sebagainya....

[yangeok]

Hahaha, orang-orangnya seru ya.