Membuat RAM di Rumah [Video]

• Membuat sel DRAM dengan peralatan rumahan dan proses rakitan langsung, lalu memverifikasi operasi struktur dasar RAM yang menggabungkan transistor dan kapasitor
• Menjalankan proses semikonduktor secara bertahap mulai dari pemotongan wafer silikon, pembentukan lapisan oksida, fotolitografi, etsa kering, doping fosfor, pertumbuhan oksida gerbang, contact cut, hingga deposisi aluminium
• Pada pengukuran perangkat jadi, terkonfirmasi karakteristik sakelar di mana arus berubah sesuai tegangan gerbang serta kapasitansi maksimum 12.3 pF
• Pada pengoperasian sel DRAM individual, 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 lebih dari 64 ms pada DRAM komersial dan juga memperlihatkan batas miniaturisasi seperti punch through, proyek ini berhasil menjadi titik awal untuk ekspansi array RAM kecil buatan rumah

---

Struktur DRAM dan tujuan fabrikasi

• Sel DRAM memiliki struktur yang menempatkan transistor dan kapasitor penyimpan muatan di setiap titik perpotongan array yang tersusun atas baris dan kolom
  • Transistor berperan sebagai sakelar
  • Kapasitor menyimpan muatan seperti baterai untuk menahan informasi 1 bit
  • Saat transistor dinyalakan, kapasitor terisi; ketika dinyalakan lagi untuk pembacaan, muatan dapat mengalir balik dan dideteksi
  • Karena muatan kapasitor terkuras saat proses baca, diperlukan refresh berkala
• Target fabrikasi adalah struktur kecil berbasis layout array 5x4 yang nantinya bisa disambungkan lebih lanjut
  • Menempatkan transistor dan kapasitor pada setiap titik perpotongan
  • Target akhir panjang gerbang transistor sedikit di bawah 1 mikron
• Pada gambar desain, setiap warna menunjukkan lapisan yang berbeda, dan perangkat dibentuk lewat proses penumpukan berlapis seperti sandwich dengan menambahkan lapisan satu per satu

Proses awal: persiapan silikon dan doping

• Menggunakan wafer silikon sebagai bahan 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 kontaminan di permukaan
  • Bertujuan mengangkat partikel dan melarutkan bahan organik
  • Karena tahap berikutnya mengubah permukaan dari silikon menjadi kaca, pembersihan sempurna belum mutlak diperlukan
• Chip dimasukkan ke furnace dan dipanaskan pada 1,100°C untuk membentuk lapisan 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 sebagai lapisan adhesi
  • Meski aslinya bahan untuk metal lift-off, material ini juga bekerja baik sebagai lapisan adhesi
  • Dilakukan bake pada 170°C selama 5 menit
• Di atasnya, photoresist di-spin-coat lalu di-bake pada 100°C selama 2 menit
  • Membentuk lapisan tipis seragam yang sedikit lebih tebal dari 1 mikron
• Level pola pertama dibentuk menggunakan UV dan mask
  • Cahaya yang melewati bukaan mask mengekspos photoresist
  • Bagian yang terekspos dihilangkan dalam developer sehingga pola terbentuk
  • Sistem stepper mikroskop memproyeksikan pola dalam skala diperkecil, sementara perangkat lunak buatan sendiri mengendalikan fokus dan eksposur
  • Peralatan robotik digunakan untuk menghasilkan proses development yang lebih seragam
• Dengan menggunakan photoresist berpola sebagai mask, dilakukan etsa kering
  • Lapisan kaca dihilangkan secara selektif untuk membuka permukaan silikon
• Setelah etsa, photoresist dihilangkan dengan DMSO yang dipanaskan
  • Hasilnya adalah struktur dengan jendela yang terbuka pada lapisan oksida 3,300 angstrom
• Jendela pada oksida ini digunakan untuk membentuk source dan drain transistor
  • Source dan drain berfungsi sebagai terminal input dan output sakelar
  • Gerbang nantinya dibentuk pada area tengah
• Fosfor dimasukkan ke dalam silikon untuk meningkatkan konduktivitas area tersebut
  • Industri biasanya juga memakai implantasi ion, tetapi metode itu tidak dipakai karena biaya dan skala peralatannya
• Alih-alih produk komersial, digunakan phosphorus doped spin-on glass buatan sendiri
  • Pada sampel uji, sebelum perlakuan, kontinuitas sulit dipastikan dengan multimeter
  • Setelah perlakuan, terkonfirmasi konduktivitas yang sangat tinggi
  • Hasilnya mendekati tingkat doping yang sangat tinggi
• Larutan yang sama dilapiskan ke chip utama lalu di-bake sambil suhu dinaikkan perlahan
  • Bertujuan menghilangkan pelarut serta mencegah retak dan tegangan
• Dalam proses sintesis, muncul sedikit endapan kaca
  • Disebut bahwa sebagian besar hanya fenomena tampilan dan tidak berdampak besar
  • Untuk berikutnya, disebutkan bahwa penyaringan akan lebih tepat untuk menghilangkannya
• Dibuat kalkulator untuk memprediksi kedalaman doping dan melakukan pemodelan profil doping
  • Targetnya adalah profil yang lebih dangkal
• Untuk itu dilakukan annealing pada 1,100°C selama 5 menit lalu spin-on glass dihilangkan dengan HF
  • Setelah itu dilakukan drive-in anneal pada 1,000°C selama 10 menit

Proses tengah: oksida gerbang dan contact

• Setelah source dan drain terbentuk, dilanjutkan proses pada area gerbang transistor dan area kapasitor
  • Karena lapisan kaca masih tersisa, liftoff resist dan photoresist kembali dilapiskan secara berurutan
• Area kanal dibentuk dengan penyelarasan di antara source dan drain yang sudah ada
  • Secara bersamaan, area kapasitor penyimpan muatan di bagian atas transistor juga disejajarkan dan diekspos
• Setelah development, HF digunakan untuk menghilangkan oksida tengah di antara source dan drain, serta oksida di sekitar 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
  • Ini adalah pembersihan yang secara agresif menghilangkan bahan organik dan sebagian besar logam dari permukaan
• Chip dimasukkan lagi ke furnace untuk menumbuhkan oksida gerbang dan oksida kapasitor
  • Ditargetkan oksida yang lebih tipis agar kapasitansinya lebih tinggi dan kontrol gerbang lebih baik
  • Proses pada 950°C selama 38 menit menghasilkan oksida 200 angstrom, yaitu 20 nanometer
  • Di luar perangkat, lapisan oksida yang lebih tebal tetap dipertahankan
• Setelah itu dilakukan proses contact cut untuk membuka lapisan oksida secara selektif demi sambungan listrik
  • LOR dan photoresist dilapiskan lalu di-bake
  • Mask contact cut disejajarkan dan diekspos untuk membentuk bukaan kecil
  • HF menghilangkan lapisan kaca pada permukaan silikon melalui bukaan tersebut sehingga jalur sambungan listrik terbentuk

Proses akhir: deposisi logam dan penyelesaian perangkat

• Pada level terakhir, dilakukan deposisi logam untuk membentuk gerbang transistor, contact listrik, dan elektroda kapasitor
  • LOR dan photoresist kembali dilapiskan dan di-bake, lalu mask terakhir disejajarkan dan diekspos
• Jika proses sebelumnya berfokus pada penghilangan material, tahap ini memakai bukaan photoresist seperti stensil
  • Prinsipnya mirip stensil cat, sehingga material hanya terbentuk di lokasi yang diperlukan
• Logam yang digunakan adalah aluminium
  • Dalam sistem sputter, argon menumbuk target logam dan mengendapkan atom logam ke permukaan sampel
  • Pelapisan berlangsung merata kecuali pada beberapa area tepi sampel tempat tape menutupi permukaan
• Setelah itu, photoresist dihilangkan dengan DMSO yang dipanaskan untuk melakukan lift-off
  • Logam terangkat dan terlepas sehingga hanya pola yang diinginkan yang tersisa
• Hasil pengamatan mikroskop menunjukkan struktur array DRAM lengkap yang mencakup transistor, kapasitor, dan bagian penghubung
  • Struktur penampangnya juga sesuai dengan konsep awal
  • Transistor mengendalikan aliran arus dan mengisi kapasitor penyimpanan sehingga bit data dapat disimpan

Hasil pengukuran dan keterbatasan

• Karakteristik listrik dievaluasi menggunakan 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 bergantung pada tegangan gerbang
  • Diperoleh karakteristik sakelar di mana arus hampir nol atau menjadi lebih besar sesuai tegangan gerbang
  • Untuk penggunaan sebagai RAM, fungsi on-off dasar saja sudah memadai
• Namun, tidak muncul saturasi arus seperti pada transistor pada umumnya; 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 kemampuan kontrol gerbang menurun
  • Pada tegangan rendah perangkat masih bisa beroperasi, tetapi juga memperlihatkan sulitnya miniaturisasi
• Kapasitor diukur dengan CV plotter
  • Kapasitansi diukur sambil mengubah tegangan
  • Kapasitansi maksimum yang dicatat adalah 12.3 pF
  • Nilainya mendekati nilai ideal teoritis rancangan, yakni di kisaran belasan pF
• Saat dioperasikan bersama sebagai sel DRAM individual, transistor mengisi kapasitor penyimpanan hingga 3V dalam beberapa ratus nanodetik
  • Setelah itu, tegangannya perlahan turun seiring waktu
  • Muatan hanya bertahan selama sedikit lebih dari 2 ms
  • Setelah itu perlu diisi ulang lagi
• DRAM komersial mampu mempertahankan muatan selama lebih dari 64 ms
  • Desain kali ini memerlukan refresh pada frekuensi yang lebih tinggi
• Disebutkan bahwa membuat RAM di rumah ini adalah yang pertama kalinya
  • Saat ini masih pada tahap pembuktian operasi untuk beberapa sel saja
  • Belum sampai tingkat bisa menjalankan Doom di PC
• Langkah berikutnya adalah menyambungkan sel-sel tersebut untuk diperluas menjadi array yang lebih besar
  • Setelah itu direncanakan untuk dihubungkan ke PC

[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