Tự làm RAM tại nhà [video]

• Chế tạo ô DRAM bằng thiết bị gia dụng và quy trình tự lắp ráp, xác nhận hoạt động của cấu trúc RAM cơ bản kết hợp transistor và tụ điện
• Thực hiện từng bước quy trình bán dẫn gồm cắt wafer silicon, tạo lớp oxide, quang khắc, khắc khô, pha tạp photpho, tăng trưởng oxide cổng, contact cut và cả lắng đọng nhôm
• Trong phép đo thiết bị hoàn thiện, xác nhận đặc tính chuyển mạch với dòng điện thay đổi theo điện áp cổng và điện dung tối đa 12.3 pF
• Khi vận hành ô DRAM riêng lẻ, tụ lưu trữ được nạp tới 3V trong vài trăm nano giây, và điện tích được giữ trong hơn 2ms một chút trước khi cần nạp lại
• Dù chưa đạt thời gian lưu giữ hơn 64ms của DRAM thương mại và cũng bộc lộ các giới hạn thu nhỏ như punch through, đây đã là điểm khởi đầu để mở rộng thành mảng RAM cỡ nhỏ làm tại nhà

---

Cấu trúc DRAM và mục tiêu chế tạo

• Ô DRAM là cấu trúc đặt transistor và tụ lưu điện tích tại mỗi giao điểm trong một mảng gồm hàng và cột
  • Transistor đóng vai trò công tắc
  • Tụ điện lưu điện tích như pin để giữ 1 bit thông tin
  • Khi bật transistor, tụ được nạp điện; khi bật lại để đọc, điện tích có thể chảy ngược và được phát hiện
  • Vì điện tích trong tụ bị rút ra trong quá trình đọc nên cần refresh định kỳ
• Đối tượng chế tạo là một cấu trúc nhỏ dựa trên layout mảng 5x4 có thể ghép nối tiếp về sau
  • Mỗi giao điểm đặt transistor và tụ điện
  • Mục tiêu cuối cùng là chiều dài cổng transistor nhỏ hơn một chút so với 1 micromet
• Trong bản thiết kế, mỗi màu đại diện cho một lớp khác nhau, và linh kiện được tạo thành bằng quy trình xếp lớp dạng sandwich theo từng lớp một

Giai đoạn đầu: chuẩn bị silicon và pha tạp

• Sử dụng wafer silicon làm vật liệu ban đầu, rồi cắt thành các chip nhỏ bằng diamond scribe
  • Tận dụng tính chất silicon dễ tách theo một số mặt tinh thể nhất định
• Sau khi cắt, tiến hành làm sạch bằng acetone và isopropanol để loại bỏ tạp chất trên bề mặt
  • Mục đích là loại hạt bụi và hòa tan chất hữu cơ
  • Vì bước tiếp theo sẽ biến bề mặt từ silicon thành kính nên không cần làm sạch tuyệt đối hoàn hảo
• Đưa chip vào furnace và nung ở 1,100°C để tạo lớp oxide dày 3,300 angstrom trên bề mặt
  • Đây là cách oxy hóa silicon để tăng trưởng một lớp kính
  • Lớp oxide này sau đó đóng vai trò mặt nạ và lớp bảo vệ
• Trên bề mặt đã có lớp kính, trước tiên phủ liftoff resist để dùng như một lớp bám dính
  • Dù vốn là vật liệu cho metal lift-off, nó cũng hoạt động tốt như lớp bám dính
  • Bake ở 170°C trong 5 phút
• Phủ photoresist lên trên bằng spin coating rồi bake ở 100°C trong 2 phút
  • Tạo thành một màng mỏng đồng đều dày hơn 1 micromet một chút
• Dùng tia UV và mask để tạo mức pattern đầu tiên
  • Ánh sáng đi qua các lỗ mở trên mask sẽ phơi sáng photoresist
  • Phần đã phơi sáng bị loại bỏ trong dung dịch hiện ảnh để tạo pattern
  • Hệ thống stepper kính hiển vi thu nhỏ và chiếu pattern, còn phần mềm tự viết điều khiển lấy nét và phơi sáng
  • Dùng thiết bị robot để hiện ảnh đồng đều hơn
• Dùng photoresist đã tạo pattern làm mask để tiến hành khắc khô
  • Loại bỏ chọn lọc lớp kính để lộ bề mặt silicon
• Sau khi khắc, loại bỏ photoresist bằng DMSO đã gia nhiệt
  • Kết quả là tạo ra cấu trúc có các cửa sổ mở trên lớp oxide 3,300 angstrom
• Dùng các cửa sổ oxide này để tạo source và drain của transistor
  • Source và drain đóng vai trò cực vào và cực ra của công tắc
  • Gate sẽ được tạo sau ở vùng giữa
• Đưa photpho vào silicon để tăng độ dẫn điện của các vùng đó
  • Trong công nghiệp người ta cũng dùng ion implantation, nhưng ở đây không áp dụng do chi phí và quy mô thiết bị
• Sử dụng phosphorus doped spin-on glass tự chế thay vì sản phẩm thương mại
  • Trên mẫu thử, trước xử lý rất khó kiểm tra thông mạch bằng đồng hồ vạn năng
  • Sau xử lý thì xác nhận độ dẫn điện rất cao
  • Thu được kết quả gần với mức pha tạp rất mạnh
• Phủ cùng dung dịch đó lên chip này rồi bake với nhiệt độ tăng dần từ từ
  • Mục đích là loại bỏ dung môi và tránh nứt hoặc ứng suất
• Trong quá trình tổng hợp xuất hiện một lượng nhỏ kết tủa kính
  • Được nói là chủ yếu ảnh hưởng về mặt thẩm mỹ nên không quá nghiêm trọng
  • Lần sau nên lọc bỏ trước sẽ phù hợp hơn
• Tạo công cụ tính toán để mô phỏng hồ sơ pha tạp nhằm dự đoán độ sâu pha tạp
  • Mục tiêu là hồ sơ nông hơn
• Để làm vậy, thực hiện anneal ở 1,100°C trong 5 phút rồi loại bỏ spin-on glass bằng HF
  • Sau đó tiếp tục drive-in anneal ở 1,000°C trong 10 phút

Giai đoạn giữa: oxide cổng và contact

• Sau khi tạo source và drain, tiếp tục quy trình cho vùng gate của transistor và vùng tụ điện
  • Vì lớp kính vẫn còn nên lại phủ lần lượt liftoff resist và photoresist
• Vùng kênh được căn chỉnh để nằm giữa source và drain đã có sẵn
  • Đồng thời căn chỉnh và phơi sáng luôn cả vùng tụ lưu điện tích phía trên transistor
• Sau khi hiện ảnh, dùng HF để loại bỏ lớp oxide trung gian giữa source và drain, cũng như lớp oxide cạnh tụ điện
  • Vì oxide ở các vị trí này quá dày nên cần oxide cổng và oxide tụ với độ dày phù hợp hơn
• Thực hiện piranha clean để làm sạch vùng kênh, đây là bước quan trọng nhất
  • Đây là phương pháp làm sạch mạnh để loại bỏ chất hữu cơ và phần lớn kim loại trên bề mặt
• Đưa lại vào furnace để tăng trưởng oxide cho gate và tụ điện
  • Mục tiêu là oxide mỏng để có điện dung cao hơn và điều khiển gate tốt hơn
  • Quy trình 38 phút ở 950°C tạo ra lớp oxide dày 200 angstrom, tức 20 nanomet
  • Ở bên ngoài linh kiện vẫn giữ lớp oxide dày hơn
• Sau đó tiến hành contact cut để mở chọn lọc lớp oxide phục vụ kết nối điện
  • Phủ và bake LOR cùng photoresist
  • Căn chỉnh và phơi sáng mask contact cut để tạo các lỗ mở nhỏ
  • HF đi qua các lỗ này để loại bỏ lớp kính trên bề mặt silicon, tạo đường kết nối điện

Giai đoạn hoàn tất: lắng đọng kim loại và hoàn thiện linh kiện

• Ở mức cuối cùng, tiến hành lắng đọng kim loại để tạo gate transistor, các contact điện và điện cực tụ điện
  • Một lần nữa phủ và bake LOR cùng photoresist rồi căn chỉnh, phơi sáng mask cuối cùng
• Nếu các công đoạn trước chủ yếu là loại bỏ vật liệu, thì bước này dùng các lỗ mở trong photoresist như một stencil
  • Nguyên lý tương tự stencil sơn, chỉ tạo vật liệu ở đúng vị trí cần thiết
• Kim loại sử dụng là nhôm
  • Trong hệ thống sputter, argon bắn vào bia kim loại để các nguyên tử kim loại lắng đọng lên bề mặt mẫu
  • Lớp phủ khá đồng đều, trừ một số vùng gần mép mẫu nơi có băng dính
• Sau đó loại bỏ photoresist bằng DMSO đã gia nhiệt để thực hiện lift-off
  • Kim loại bị bong và tách khỏi những vùng không mong muốn, chỉ còn lại pattern cần thiết
• Quan sát dưới kính hiển vi cho thấy toàn bộ cấu trúc mảng DRAM gồm transistor, tụ điện và các phần nối
  • Cấu trúc mặt cắt cũng tương ứng với sơ đồ khái niệm ban đầu
  • Transistor điều khiển dòng điện và nạp cho tụ lưu trữ để giữ bit dữ liệu

Kết quả đo và giới hạn

• Đánh giá đặc tính điện bằng thiết bị thử trong phòng và máy phân tích tham số bán dẫn
  • Vì đây là linh kiện nano nên dùng micromanipulator với đầu dò siêu nhỏ thay cho dây điện thông thường
• Trong phép đo transistor, thấy các đường cong dòng điện khác nhau theo điện áp gate
  • Xác nhận được đặc tính công tắc: gần như không có dòng hoặc có dòng lớn hơn tùy điện áp gate
  • Với mục đích RAM thì chỉ cần hoạt động bật/tắt cơ bản là đủ
• Tuy nhiên, không xuất hiện bão hòa dòng như transistor thông thường, mà dòng tiếp tục tăng ở điện áp cao
  • Xảy ra punch through, một dạng của short channel effect
  • Vì khoảng cách giữa source và drain nhỏ hơn 1 micromet, khi điện áp tăng thì hai vùng này gần như nối liền với nhau
  • Điều này làm dòng điện tăng và khả năng điều khiển của gate suy giảm
  • Ở điện áp thấp vẫn có thể hoạt động, nhưng cũng cho thấy độ khó của việc thu nhỏ
• Tụ điện được đo bằng CV plotter
  • Thay đổi điện áp và đo điện dung
  • Điện dung tối đa ghi nhận là 12.3 pF
  • Đây là con số khá gần với giá trị lý tưởng lý thuyết đã thiết kế, vào khoảng hơn 10 pF
• Khi cho hoạt động đồng thời như một ô DRAM hoàn chỉnh, transistor nạp tụ lưu trữ lên 3V trong vài trăm nano giây
  • Sau đó điện áp giảm dần theo thời gian
  • Điện tích chỉ được giữ trong khoảng hơn 2ms một chút
  • Sau đó cần nạp lại
• DRAM thương mại có thể giữ được hơn 64ms
  • Thiết kế lần này cần refresh với tần suất cao hơn
• Tác giả cho biết đây là lần đầu tiên chế tạo RAM tại nhà
  • Hiện mới ở giai đoạn chứng minh hoạt động với vài ô nhớ
  • Vẫn chưa đạt mức có thể chạy Doom trên PC
• Bước tiếp theo là ghép các ô để mở rộng thành mảng lớn hơn
  • Sau đó có kế hoạch kết nối với PC

[cgl00]

Giá RAM tăng cao quá nên chắc phải tự làm ở nhà để dùng thôi ^^

[GN⁺]

Ý kiến trên Hacker News

• Tự nhiên bật ra câu đùa là tôi chỉ mua artisanal DRAM chăn thả tự nhiên
  • Nghĩ lại thì core memory đúng là loại bộ nhớ được dệt thật. Nó dùng cả kiểu đan móc lẫn hạt cườm, và có thể đọc thêm trong bài báo này
  • Nói thật thì ai cũng có một đứa trẻ kỹ sư trong lòng muốn tự tay dựng hẳn một phòng sạch bán dẫn
  • Đúng là cảm giác đây là thời đại tuyệt vời để được sống
  • Tôi lại thích kiểu chơi chữ là tôi không dùng RAM chăn cỏ mà chỉ chuộng raw RAM
  • Câu đùa rằng DRAM của tôi được lấy từ RAM ranch cũng khá buồn cười
    • Tôi còn góp thêm là tôi mua hẳn từ mấy người Amish trong vùng
• Có vẻ tác giả này đã làm ra một bộ lấy cảm hứng từ HackerFab, bộ công cụ chế tạo chip mã nguồn mở. Đây là một dự án cực hay, và tôi cũng thấy docs.hackerfab.org/home rất đáng xem
• Hôm qua tôi đã xem video này và phân vân có nên đăng lên không, nhưng không chắc nó có hợp với HN hay không Một video khác còn cho thấy quá trình dựng một phòng thí nghiệm phòng sạch trong một nhà kho sân sau bình thường, thực sự rất đáng kinh ngạc. Cảnh họ dùng áp suất dương ở sân sau để giảm số hạt bụi gần như trông như phép thuật
  • Việc còn phải băn khoăn rằng câu chuyện làm phòng sạch RAM trong nhà kho có hợp với Hacker News, nơi tự nhận là "news for nerds", hay không lại càng buồn cười hơn
  • Nếu chưa xem thì tôi cực kỳ khuyên xem Indistinguishable From Magic: Manufacturing Modern Computer Chips Dù là video khá cũ, tôi vẫn chưa thấy một phiên bản hiện đại nào thay thế được nó. Trước đây tôi từng đăng lên HN vài lần, phản hồi không quá lớn, nhưng cá nhân tôi vẫn thấy nó hấp dẫn đến mức hoàn toàn choáng ngợp
  • Tôi nghĩ nếu bản thân thấy thú vị thì cứ đăng lên đã. Sau đó cứ để hệ thống bình chọn quyết định
  • Thành thật mà nói, đây đúng kiểu nội dung tôi muốn thấy ở đây
  • Gần đây tôi còn thấy cả bài về Bonsai trees trên trang chủ, nên chuyện tự làm RAM rõ ràng còn liên quan đến HN hơn nhiều
• Dòng thời gian tương lai trong đầu tôi là thế này. Năm 1999 thì mơ về flying cars, năm 2024 thì nói chuyện robot vì LLM, và đến 2026 thì rốt cuộc lại xem cách tự làm RAM tại nhà
  • Có câu đùa là đến 2027 ta có thể nâng cấp LLM bằng RAM tự làm ở nhà, rồi bắt nó thiết kế flying car
  • Cũng có thể tưởng tượng rằng đến 2027 sẽ có cả phần mềm lẫn phần cứng được tạo ra theo kiểu just-in-time
  • Một câu đùa phản địa đàng khác là đến 2030, flying car thực chất sẽ thành drone vũ trang còn homefab thì có thể bị cấm
• Buồn cười ở chỗ có lẽ đây không phải điều người ta muốn nói khi bảo sản xuất quay trở lại Mỹ
  • Bỏ đùa sang một bên, nếu ai đó có thể dựng phòng sạch riêng trong nhà kho rồi còn làm ra được RAM, thì tôi bắt đầu tự hỏi rốt cuộc điều gì đang ngăn các công ty mới bước vào thị trường Dù chứng nhận có ít chính thống hơn một chút, nếu nó chạy được thật thì tôi cũng muốn mua RAM rẻ hơn
  • Cũng có câu đùa châm biếm chính trị rằng rồi mỗi sân sau sẽ có một semiconductor furnace
• Tôi hiểu đến mức là phải nạp điện tích vào tụ điện, và vì nó bị rò nên phải nạp lại định kỳ Nhưng tôi vẫn chưa rõ đọc giá trị bằng cách nào và refresh ra sao. Tôi cũng chưa thật sự nắm được transistor, nhưng dù vậy video này vẫn quá tuyệt
  • Theo cách tôi hiểu thì người ta đo lượng điện tích trước khi nó biến mất hoàn toàn Vì bản thân phép đo sẽ lấy đi một phần điện tích, nên chip DRAM có mạch ghi lại giá trị đó. Nếu phải là 1 thì nạp lại, còn nếu phải là 0 thì xả ra. Refresh và đọc thông thường gần như giống nhau, chỉ khác là đọc thông thường còn đưa giá trị đó ra chân output Trong video hiện mới chỉ cho thấy bố cục cơ bản của tụ điện và transistor, nên mạch đọc và ghi lại có lẽ sẽ xuất hiện trong video sau
  • Tôi thấy nếu hiểu transistor gần như một AND gate thì sẽ dễ hình dung hơn Khi điều kiện ở phía source và gate phù hợp, điện tích có thể di chuyển sang drain, nên có thể nối điện tích của tụ sang transistor khác để kiểm tra xem nó còn hay không. Tín hiệu ở phía drain cũng có thể dùng để điều khiển logic và nạp lại tụ vừa bị suy yếu sau khi đọc Nói chính xác hơn thì giải thích bằng điện áp so với mass tham chiếu sẽ đúng hơn là nói bằng sự di chuyển điện tích
  • Nguyên lý hoạt động của DRAM được tóm tắt khá tốt trong phần Principles of operation trên Wikipedia Điểm cốt lõi là cố tình rút ra một phần điện tích từ tụ lưu trữ để khuếch đại, rồi hồi tiếp một phần điện tích đã khuếch đại đó trở lại nơi lưu trữ
  • Để hiểu transistor thì chỉ cần nắm vài điểm chính Hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách bởi chất cách điện sẽ tạo thành tụ điện, và năng lượng tích điện được lưu trong điện trường. Chính điện trường đó là cốt lõi của cách hoạt động của field effect transistor Nếu lớp cách điện đủ mỏng thì sẽ có dòng rò, và ở quy mô nanomet thậm chí còn có thể quan sát hiện tượng electron riêng lẻ xuyên hầm, điều này khá thú vị
  • DRAM thực tế được tạo thành từ mảng lớn các tụ điện rất nhỏ và các công tắc nối từng hàng một vào đường cột Vì điện dung của chính đường dây còn lớn hơn tụ lưu trữ, người ta sẽ precharge đường dây về điện áp chuẩn trước, rồi khi nối hàng được chọn vào thì điện tích từ tụ sẽ lan ra đường dây làm điện áp thay đổi rất nhỏ. Sense amplifier sẽ khuếch đại thay đổi tí hon đó thành 0 hoặc 1, và chính quá trình ấy cũng khôi phục lại điện áp của tụ đang nối vào, nên đồng thời đóng vai trò refresh Tôi đoán mảng 4x5 trong video dùng các tụ lớn hơn chip DRAM 64 Kbit thực tế tới hàng trăm lần, để ở phần sau có thể triển khai mạch đọc bên ngoài chip
• Tôi thấy câu "giờ không còn DownloadMoreRAM nữa, chỉ còn một ông nào đó trong cái nhà kho sân sau" là quá chuẩn downloadmoreram.com
  • Nếu mount Google Drive rồi chuyển swap file sang đó, thì dù không hoàn toàn chặt chẽ, vẫn có thể xem là một phiên bản của trò đùa này
  • Nếu gắn thêm pricing page vào đây thì tôi nghĩ sẽ có người thật sự mua. Nhất là dạo này nhu cầu RAM và CPU tăng mạnh vì embedded LLM
  • Với giá bộ nhớ như hiện nay, biết đâu lại xuất hiện cơ hội kinh doanh kiểu SoftRAM 95 ngày xưa
• Người này có vẻ là minh chứng rằng ngay cả YouTube newcomer vẫn có thể thành công nếu tìm được đúng ngách
  • Tất nhiên tiền đề là bạn thật sự làm được việc ở mức khổng lồ như dựng một phòng sạch trong nhà kho
  • Cuối cùng thì bản chất của sáng tạo nội dung vẫn luôn là chính nội dung. Nếu làm ra thứ gì đó đặc biệt và cuốn hút, khán giả sẽ tự tìm đến
  • Tuy vậy, nhìn việc video này có vẻ bị khóa sau lời mời tham gia Patreon $10/month mà vẫn đạt khoảng 329,611 lượt xem, tôi tự hỏi liệu đó có thực sự là mô hình kiếm 3 triệu đô mỗi tháng hay thực tế không đơn giản như vậy
• Sản xuất semiconductor ở sân sau trông khá giống với barbecue sân sau So sánh này rất đắt vì đều có các bước gia nhiệt, khuếch tán kiểu khói, bơm vào, rồi chồng các lớp lên nhau
• Câu chuyện này khiến người ta phải đùa là chỉ mong nó đừng lọt vào mắt OpenAI, vì họ có vẻ sẽ mua sạch toàn bộ hàng tồn của anh này
  • Rồi có khi họ còn đi thuê trước hết tất cả các sheds trên khắp nước Mỹ cũng nên

[cronex]

Có vẻ như mọi người đang chơi chữ với lamb. chăn thả dRAM, trại cừu, nuôi bằng cỏ, thịt sống, v.v....

[yangeok]

Hahaha, đúng là những người thú vị.