Fabriquer de la RAM chez soi [vidéo]

• Fabrication de cellules DRAM avec du matériel domestique et un procédé assemblé à la main, afin de vérifier le fonctionnement de la structure de base d’une RAM combinant transistor et condensateur
• Réalisation pas à pas du procédé de fabrication des semi-conducteurs, de la découpe de la tranche de silicium à l’évaporation/dépôt d’aluminium, en passant par la formation de l’oxyde, la photolithographie, la gravure sèche, le dopage au phosphore, la croissance de l’oxyde de grille et les contact cuts
• Les mesures sur le dispositif final montrent un comportement de commutation où le courant varie selon la tension de grille, ainsi qu’une capacité maximale de 12,3 pF
• Lors du fonctionnement d’une cellule DRAM individuelle, le condensateur de stockage a été chargé à 3 V en quelques centaines de nanosecondes, puis la charge a été conservée pendant un peu plus de 2 ms avant de devoir être rechargée
• Même si l’on reste loin des plus de 64 ms de rétention d’une DRAM commerciale et que des limites de miniaturisation comme le punch through apparaissent, cela constitue un point de départ pour étendre l’ensemble en matrice RAM à domicile

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Structure de la DRAM et objectif de fabrication

• Une cellule DRAM place un transistor et un condensateur de stockage de charge à chaque intersection d’une matrice organisée en lignes et en colonnes
  • Le transistor joue le rôle d’interrupteur
  • Le condensateur stocke la charge comme une batterie et conserve 1 bit d’information
  • Quand le transistor est activé, le condensateur se charge, puis lorsqu’on le réactive pour la lecture, la charge peut revenir en sens inverse et être détectée
  • Comme la lecture vide la charge du condensateur, un rafraîchissement périodique est nécessaire
• La structure visée est une petite implantation basée sur une matrice 5x4 pouvant être répliquée ensuite
  • Un transistor et un condensateur sont placés à chaque intersection
  • La longueur de grille finale visée pour le transistor est légèrement inférieure à 1 micron
• Dans le schéma de conception, chaque couleur représente une couche différente, et le composant est formé par un procédé d’empilement en sandwich où les couches sont ajoutées une à une

Début du procédé : préparation du silicium et dopage

• Une tranche de silicium sert de matériau de départ et est découpée en petites puces avec une pointe au diamant
  • On exploite le fait que le silicium se clive bien selon certains plans cristallins
• Après découpe, un nettoyage à base d’acétone et d’isopropanol est effectué pour retirer les contaminants de surface
  • L’objectif est d’éliminer les particules et de dissoudre les matières organiques
  • Comme l’étape suivante transforme la surface du silicium en verre, un nettoyage parfaitement irréprochable n’est pas encore indispensable
• Les puces sont placées dans un four et chauffées à 1 100°C pour former en surface une couche d’oxyde de 3 300 angströms
  • Il s’agit de faire croître une couche vitreuse par oxydation du silicium
  • Cet oxyde servira ensuite de masque et de couche de protection
• Une couche de liftoff resist est d’abord appliquée sur cette surface vitreuse et utilisée comme couche d’adhérence
  • Ce matériau est normalement destiné au lift-off métallique, mais fonctionne aussi bien comme couche d’adhérence
  • Cuisson à 170°C pendant 5 minutes
• Une résine photosensible est ensuite déposée par spin coating, puis cuite à 100°C pendant 2 minutes
  • On obtient un film uniforme légèrement plus épais que 1 micron
• Le premier niveau de motif est formé à l’aide d’UV et d’un masque
  • La lumière qui traverse les ouvertures du masque expose la résine photosensible
  • Les zones exposées sont dissoutes dans le révélateur, ce qui crée le motif
  • Un système de stepper au microscope projette le motif à échelle réduite, tandis qu’un logiciel maison contrôle la mise au point et l’exposition
  • Un équipement robotisé est utilisé pour obtenir un développement plus uniforme
• Une gravure sèche est ensuite réalisée en utilisant la résine photosensible structurée comme masque
  • Elle retire sélectivement la couche vitreuse pour exposer la surface du silicium
• Après gravure, la résine photosensible est retirée avec du DMSO chauffé
  • On obtient ainsi une structure avec des ouvertures dans l’oxyde de 3 300 angströms
• Ces ouvertures dans l’oxyde servent à former la source et le drain du transistor
  • La source et le drain jouent le rôle de bornes d’entrée et de sortie de l’interrupteur
  • La grille sera formée ensuite dans la zone centrale
• Du phosphore est introduit dans le silicium pour augmenter la conductivité de ces régions
  • L’industrie utilise aussi l’implantation ionique, mais elle n’est pas retenue ici en raison du coût et de l’ampleur des équipements nécessaires
• À la place d’un produit du commerce, un spin-on glass dopé au phosphore fabriqué maison est utilisé
  • Sur un échantillon test, il était difficile de vérifier la continuité au multimètre avant traitement
  • Après traitement, une conductivité très élevée a été constatée
  • Le résultat se rapproche d’un niveau de dopage très important
• La même solution est appliquée sur la puce, puis cuite avec une montée en température progressive
  • L’objectif est de retirer le solvant et d’éviter les fissures ainsi que les contraintes mécaniques
• Quelques dépôts vitreux apparaissent pendant la synthèse
  • Il est indiqué qu’ils sont surtout esthétiques et n’ont pas d’effet majeur
  • Il est aussi mentionné qu’un filtrage serait plus approprié la prochaine fois
• Un calculateur est créé pour modéliser le profil de dopage et prédire la profondeur atteinte
  • L’objectif est d’obtenir un profil plus peu profond
• Pour cela, un recuit de 5 minutes à 1 100°C est réalisé, puis le spin-on glass est retiré au HF
  • Un recuit de diffusion complémentaire de 10 minutes à 1 000°C est ensuite effectué

Étapes intermédiaires : oxyde de grille et contacts

• Après formation de la source et du drain, le procédé passe à la zone de grille du transistor et à la zone du condensateur
  • Comme la couche vitreuse est toujours présente, on redépose successivement liftoff resist et résine photosensible
• La zone de canal est alignée entre la source et le drain existants
  • En même temps, la zone du condensateur de stockage de charge au-dessus du transistor est également alignée et exposée
• Après développement, le HF retire l’oxyde intermédiaire entre la source et le drain, ainsi que l’oxyde adjacent au condensateur
  • L’oxyde à ces emplacements était trop épais, et il faut un oxyde de grille et un oxyde de condensateur d’épaisseur adaptée
• Un piranha clean est réalisé pour nettoyer la zone de canal, l’étape la plus importante
  • Ce nettoyage élimine fortement les matières organiques et la plupart des métaux présents à la surface
• La puce retourne ensuite dans le four pour faire croître l’oxyde de grille et l’oxyde du condensateur
  • On vise un oxyde mince pour obtenir une capacité plus élevée et un meilleur contrôle de la grille
  • Un procédé de 38 minutes à 950°C forme un oxyde de 200 angströms, soit 20 nanomètres
  • Les régions extérieures au dispositif conservent un oxyde plus épais
• Vient ensuite le procédé de contact cut, qui ouvre sélectivement l’oxyde afin de permettre les connexions électriques
  • LOR et résine photosensible sont déposés puis cuits
  • Le masque de contact cut est aligné et exposé afin de créer de petites ouvertures
  • Le HF retire alors la couche vitreuse à la surface du silicium via ces ouvertures, créant le chemin de connexion électrique

Fin du procédé : dépôt métallique et composant final

• Au dernier niveau, un dépôt métallique est réalisé pour former la grille du transistor, les contacts électriques et l’électrode du condensateur
  • LOR et résine photosensible sont à nouveau déposés puis cuits avant l’alignement et l’exposition du masque final
• Alors que les étapes précédentes étaient centrées sur le retrait de matière, cette phase utilise les ouvertures dans la résine photosensible comme un pochoir
  • Le principe est similaire à celui d’un pochoir de peinture pour ne former le matériau qu’aux emplacements voulus
• Le métal utilisé est l’aluminium
  • Dans un système de pulvérisation cathodique, l’argon bombarde une cible métallique et dépose les atomes de métal sur la surface de l’échantillon
  • Le revêtement est uniforme, à l’exception de certaines zones près du bord de l’échantillon où se trouvait du ruban adhésif
• La résine photosensible est ensuite retirée avec du DMSO chauffé pour effectuer le lift-off
  • Le métal se décolle et ne laisse que le motif souhaité
• L’observation au microscope confirme l’ensemble de la structure matricielle DRAM, incluant transistor, condensateur et interconnexions
  • La structure en coupe correspond aussi au schéma conceptuel initial
  • Le transistor contrôle le courant et charge le condensateur de stockage, ce qui permet de conserver un bit de donnée

Résultats de mesure et limites

• Les caractéristiques électriques sont évaluées avec du matériel de test en intérieur et un analyseur de paramètres pour semi-conducteurs
  • Comme il s’agit de dispositifs à l’échelle nanométrique, des micromanipulateurs munis de pointes de sonde fines sont utilisés à la place de fils ordinaires
• Les mesures du transistor montrent différentes courbes de courant selon la tension de grille
  • Le composant présente bien un comportement de commutation, avec presque aucun courant à certaines tensions de grille et un courant plus élevé à d’autres
  • Pour un usage en RAM, un simple fonctionnement on/off est suffisant
• En revanche, on n’observe pas la saturation de courant typique d’un transistor classique, et le courant continue d’augmenter à haute tension
  • Il s’agit d’un punch through, une forme de short channel effect
  • Comme la distance entre source et drain est inférieure à 1 micron, une hausse de tension finit par relier pratiquement les deux régions
  • Cela entraîne une augmentation du courant et une perte de contrôle par la grille
  • Le fonctionnement reste possible à basse tension, mais cela met aussi en évidence les difficultés de miniaturisation
• Le condensateur est mesuré avec un CV plotter
  • La capacité est mesurée en faisant varier la tension
  • La capacité maximale enregistrée est de 12,3 pF
  • La valeur est proche de la valeur idéale théorique prévue, de l’ordre d’un peu plus de 10 pF
• Lorsqu’ils fonctionnent ensemble comme cellule DRAM individuelle, le transistor charge le condensateur de stockage à 3 V en quelques centaines de nanosecondes
  • La tension diminue ensuite progressivement au fil du temps
  • La charge n’est conservée que pendant un peu plus de 2 ms
  • Il faut ensuite recharger à nouveau
• Une DRAM commerciale peut conserver sa charge pendant plus de 64 ms
  • Cette conception nécessite donc un rafraîchissement à plus haute fréquence
• Il est indiqué qu’il s’agit d’une première en matière de fabrication de RAM à domicile
  • À ce stade, il s’agit encore seulement de démontrer le fonctionnement de quelques cellules
  • On est encore loin de pouvoir lancer Doom sur un PC avec cela
• La prochaine étape consiste à relier les cellules pour former une matrice plus grande
  • L’objectif ultérieur est de la connecter à un PC

[cgl00]

Les prix de la RAM ont tellement augmenté qu’il va falloir la fabriquer à la maison ^^

[GN⁺]

Commentaires sur Hacker News

• Impossible de ne pas faire la blague du DRAM artisanal élevé en plein air
  • En y repensant, la mémoire à tores était littéralement une mémoire tissée. Il y avait même du tricot et des perles, et on peut lire à ce sujet dans cet article
  • Honnêtement, on a tous au fond de nous un petit gamin ingénieur qui rêve de construire sa propre salle blanche pour semi-conducteurs
  • Franchement, quelle époque formidable pour être en vie
  • Moi, je préférais le jeu de mots sur le fait de ne jurer que par la RAM brute plutôt que par la RAM nourrie à l’herbe
  • La blague sur le fait que ma DRAM vient d’un RAM ranch était pas mal non plus
    • Moi, j’ai même ajouté que je l’achetais directement aux Amish du coin
• On dirait que ce créateur s’est inspiré de HackerFab, une boîte à outils open source pour la fabrication de puces. C’est vraiment un super projet, et docs.hackerfab.org/home vaut clairement le détour
• J’ai vu cette vidéo hier et j’ai hésité à la poster, sans être sûr qu’elle convienne à HN Une autre vidéo montre la création d’un laboratoire en salle blanche dans un simple abri de jardin, et c’était vraiment bluffant. Voir la pression positive faire baisser le nombre de particules dans un jardin donnait presque l’impression de voir de la magie
  • Ce qui est plutôt drôle, c’est d’avoir hésité à poster sur Hacker News, « news for nerds », une histoire sur la construction d’une salle blanche pour RAM dans un cabanon
  • Si vous ne l’avez pas encore vue, je recommande vivement Indistinguishable From Magic: Manufacturing Modern Computer Chips La vidéo est un peu ancienne, mais je n’ai toujours pas trouvé d’équivalent moderne vraiment à la hauteur. Je l’ai déjà soumise plusieurs fois sur HN et, même si la réaction n’a jamais été énorme, je continue de la trouver totalement fascinante
  • À mon avis, si quelque chose vous intéresse, ça vaut le coup de le poster. Ensuite, il suffit de laisser faire le système de vote
  • Honnêtement, c’est exactement le type de contenu que j’ai envie de voir ici
  • J’ai récemment vu un post sur les bonsaïs en page d’accueil, et une histoire sur quelqu’un qui fabrique sa propre RAM me semble bien plus pertinente pour HN
• Dans ma chronologie mentale du futur, en 1999 on rêvait de voitures volantes, en 2024 on parle de robots à cause des LLM, et en 2026 on finit par regarder comment fabriquer de la RAM chez soi
  • Quelqu’un a plaisanté en disant qu’en 2027 on pourrait améliorer un LLM avec de la RAM faite maison, puis lui faire concevoir la voiture volante
  • On peut aussi imaginer qu’en 2027 on fabriquera à la volée du logiciel et du matériel just-in-time
  • Et en 2030, les voitures volantes seront en fait des drones armés et le homefab sera peut-être interdit, dans une petite blague dystopique
• Ça m’a fait rire de me dire que ce n’était sans doute pas ce qu’on entendait par retour de l’industrie manufacturière américaine
  • Blague à part, si quelqu’un peut monter sa propre salle blanche dans un abri et fabriquer de la RAM, je me demande bien ce qui empêche vraiment des entreprises d’entrer sur le marché Même avec un peu moins de certification officielle, si ça fonctionne vraiment, j’aurais bien envie d’acheter de la RAM moins chère
  • Il y a aussi eu une blague à connotation politique sur le fait qu’on allait bientôt avoir un four à semi-conducteurs dans chaque jardin
• Je comprends qu’on charge un condensateur, qu’il fuit, et qu’il faut donc le recharger périodiquement En revanche, je ne vois pas bien comment on lit la valeur ni comment se fait le rafraîchissement. Je n’ai pas encore une intuition complète des transistors, mais la vidéo reste vraiment géniale
  • Si j’ai bien compris, on mesure la quantité de charge avant qu’elle ne disparaisse complètement Comme la mesure elle-même prélève une partie de la charge, les puces DRAM incluent un circuit qui réécrit ensuite la valeur. Si c’était un 1, il recharge, et si c’était un 0, il décharge. Le rafraîchissement et la lecture normale sont presque identiques ; la différence, c’est qu’en lecture normale la valeur est aussi envoyée vers les broches de sortie Dans la vidéo, on ne voit encore que l’agencement de base des condensateurs et des transistors, donc j’imagine que les circuits de lecture et de réécriture arriveront dans la prochaine vidéo
  • Pour moi, on peut à peu près comprendre un transistor comme une porte AND Si les conditions du côté source et du côté grille sont réunies, la charge peut se déplacer vers le drain ; cela permet de relier la charge du condensateur à un autre transistor pour voir s’il en reste. Le signal côté drain peut alors piloter la logique et aussi recharger le condensateur affaibli par la lecture À strictement parler, il serait plus exact d’expliquer cela en termes de tension par rapport à la masse de référence plutôt qu’en termes de déplacement de charge
  • Le principe de fonctionnement de la DRAM est assez bien expliqué dans la section Principles of operation de Wikipedia L’idée essentielle est qu’on retire volontairement un peu de charge du condensateur de stockage pour l’amplifier, puis qu’une partie de cette charge amplifiée est renvoyée vers l’élément de stockage
  • Pour comprendre les transistors, il suffit de saisir quelques idées clés Deux conducteurs proches séparés par un isolant forment un condensateur, et l’énergie stockée pendant la charge l’est dans le champ électrique. Et c’est précisément ce champ électrique qui est au cœur du fonctionnement d’un field effect transistor Si la couche isolante est suffisamment fine, des courants de fuite apparaissent, et à l’échelle nanométrique on peut même détecter le phénomène de tunnel d’électrons individuels, ce qui est fascinant
  • Une vraie DRAM est constituée d’un grand réseau de tout petits condensateurs, avec des commutateurs qui connectent une ligne entière à la fois aux lignes de colonnes Comme la capacité parasite des lignes est supérieure à celle des condensateurs de stockage, on précharge d’abord les lignes à une tension de référence, puis on connecte la ligne sélectionnée ; la charge du condensateur se répartit alors sur la ligne et la tension change très légèrement. Le sense amplifier amplifie ensuite fortement cette minuscule variation en 0 ou en 1, et ce processus restaure en même temps la tension du condensateur connecté, ce qui assure aussi le rafraîchissement J’imagine que la matrice 4x5 de la vidéo utilise des condensateurs des centaines de fois plus grands que ceux d’une vraie DRAM de 64 Kbit, afin de pouvoir implémenter dans un épisode suivant le circuit de lecture à l’extérieur de la puce
• Je trouve la phrase « il n’y a plus de DownloadMoreRAM, il n’y a plus qu’un type dans son cabanon au fond du jardin » parfaite downloadmoreram.com
  • Si on monte Google Drive et qu’on y déplace le fichier de swap, la blague devient presque valable, à défaut d’être rigoureuse
  • Si on ajoutait une page de tarification, je pense qu’il y aurait vraiment des acheteurs. Surtout avec l’explosion de la demande en RAM et en CPU liée aux LLM embarqués
  • Avec les prix actuels de la mémoire, on pourrait même imaginer le retour d’une opportunité façon SoftRAM 95
• Cette personne m’a semblé prouver qu’un nouveau venu sur YouTube peut encore réussir s’il trouve la bonne niche
  • Évidemment, à condition d’accomplir quelque chose d’aussi énorme que construire une salle blanche dans un abri de jardin
  • Au fond, j’ai l’impression que l’essence de la création de contenu a toujours été le contenu lui-même. Si vous faites quelque chose d’unique et de captivant, les spectateurs suivront
  • En revanche, comme cette vidéo semble verrouillée derrière une incitation à s’abonner à Patreon à 10 $/mois tout en affichant environ 329 611 vues, je me demande si cela représente vraiment un modèle à 3 millions de dollars par mois ou si la réalité est plus compliquée que ça
• La production de semi-conducteurs dans un jardin m’a paru assez proche d’un barbecue dans le jardin Chauffer, faire une diffusion qui ressemble à de la fumée, injecter, empiler les couches : la métaphore est plutôt bien trouvée
• Ça donne envie de plaisanter en disant qu’il ne faut surtout pas que OpenAI tombe là-dessus, sinon ils vont racheter tout son stock
  • Et ensuite, on peut imaginer qu’ils commenceront à préempter en location tous les cabanons du pays

[cronex]

On dirait que les commentaires enchaînent les jeux de mots autour de l'agneau.
DRAM élevée en plein air, ferme ovine, nourri à l'herbe, viande crue, etc....

[yangeok]

Hahaha, ce sont des gens amusants.