Evde RAM yapmak [Video]

• DRAM hücresi, ev tipi ekipman ve doğrudan kurulmuş bir süreçle üretilerek transistör ve kapasitörü birleştiren RAM’in temel yapısının çalıştığı doğrulandı
• Silikon wafer kesimi, oksit tabakası oluşturma, fotolitografi, kuru aşındırma, fosfor katkılama, kapı oksidinin büyütülmesi, kontakt açma ve alüminyum biriktirme dahil yarı iletken süreçleri adım adım uygulandı
• Tamamlanan aygıtın ölçümünde, kapı voltajına göre akımın değiştiği anahtarlama karakteristiği ve en fazla 12.3 pF kapasitans doğrulandı
• Tekil DRAM hücresi çalıştırıldığında depolama kapasitörü birkaç yüz nanosaniye içinde 3V’a kadar şarj edildi ve yük 2 ms’yi biraz aşan bir süre tutulduktan sonra yeniden şarj gerektirdi
• Ticari DRAM’in 64 ms üzerindeki tutma süresine ulaşılamasa da ve punch through gibi küçültme sınırları ortaya çıksa da, evde yapılmış küçük bir RAM dizisini büyütmenin başlangıç noktası elde edildi

---

DRAM yapısı ve üretim hedefi

• DRAM hücresi, satır ve sütunlardan oluşan bir dizinin her kesişim noktasına transistör ve yük depolayan bir kapasitör yerleştiren bir yapı
  • Transistör anahtar görevi görür
  • Kapasitör, pil gibi yük depolayarak 1 bit bilgiyi saklar
  • Transistör açıldığında kapasitör şarj olur, tekrar açılıp okunurken yük ters yönde akarak algılanabilir
  • Okuma sırasında kapasitördeki yük boşaldığı için periyodik refresh gerekir
• Üretim hedefi, daha sonra birbirine eklenebilecek 5x4 dizi yerleşimine dayalı küçük bir yapı
  • Her kesişim noktasına transistör ve kapasitör yerleştirilir
  • Nihai transistör kapı uzunluğu hedefi 1 mikrondan biraz daha küçüktür
• Tasarım çiziminde her renk farklı bir katmanı gösterir ve aygıt, katmanların tek tek üst üste konduğu sandviç tipi katmanlı süreçle oluşturulur

İlk süreç: silikon hazırlığı ve katkılama

• Başlangıç malzemesi olarak silikon wafer kullanıldı ve elmas çiziciyle küçük çiplere kesildi
  • Silikonun belirli kristal düzlemleri boyunca kolay kırılma özelliğinden yararlanıldı
• Kesimden sonra yüzeydeki yabancı maddeleri temizlemek için aseton ve izopropanol tabanlı temizlik yapıldı
  • Amaç parçacıkları uzaklaştırmak ve organikleri çözmektir
  • Sonraki adımda yüzey silikon yerine cama dönüştürüldüğü için tamamen kusursuz temizlik zorunlu değildir
• Çip fırına konulup 1,100°C’de ısıtılarak yüzeyde 3,300 angstrom kalınlığında oksit tabakası oluşturuldu
  • Bu, silikonu oksitleyerek cam benzeri bir katman büyütme yöntemidir
  • Bu oksit daha sonra maske ve koruyucu tabaka görevi görür
• Cam katmanının oluştuğu yüzeye önce liftoff resist uygulanarak yapışma katmanı gibi kullanıldı
  • Aslında metal lift-off için kullanılan bir malzeme olsa da yapışma katmanı olarak da iyi çalıştı
  • 170°C’de 5 dakika bake uygulandı
• Bunun üzerine fotoresist spin-coating ile kaplanıp 100°C’de 2 dakika bake yapıldı
  • Kalınlık, 1 mikrondan biraz daha büyük ve uniform bir ince film oluşturdu
• UV ve maske kullanılarak ilk desen seviyesi oluşturuldu
  • Maskedeki açıklıklardan geçen ışık fotoresisti pozladı
  • Geliştiricide pozlanan bölgeler kaldırılarak desen oluşturuldu
  • Mikroskop stepper sistemi deseni küçülterek projekte etti ve kullanıcı yazılımı odak ile pozlamayı kontrol etti
  • Daha uniform bir geliştirme için robotik ekipman kullanıldı
• Desenlenmiş fotoresist maske olarak kullanılıp kuru aşındırma yapıldı
  • Cam katman seçici olarak kaldırılarak silikon yüzey açığa çıkarıldı
• Aşındırmadan sonra ısıtılmış DMSO ile fotoresist kaldırıldı
  • Sonuçta 3,300 angstrom oksit içinde pencereler açılmış bir yapı elde edildi
• Bu oksit pencereleri kullanılarak transistörün source ve drain bölgeleri oluşturuldu
  • Source ve drain, anahtarın giriş ve çıkış uçları gibi çalışır
  • Kapı daha sonra ortadaki bölgede oluşturulacaktır
• Silikona fosfor eklenerek bu bölgelerin iletkenliği artırıldı
  • Endüstride iyon implantasyonu da kullanılır, ancak maliyet ve ekipman ölçeği nedeniyle burada tercih edilmedi
• Ticari bir ürün yerine doğrudan hazırlanmış phosphorus doped spin-on glass kullanıldı
  • Test örneğinde işlem öncesi multimetre ile süreklilik tespit etmek zordu
  • İşlem sonrası çok yüksek iletkenlik doğrulandı
  • Neredeyse çok yüksek seviyeli katkılamaya karşılık gelen bir sonuç elde edildi
• Aynı çözelti bu çipe de kaplandı ve sıcaklık yavaşça artırılarak bake yapıldı
  • Amaç çözücüyü uzaklaştırmak ve çatlak ile gerilimi önlemektir
• Sentez sırasında az sayıda cam çökelti oluştu
  • Bunun çoğunlukla görsel bir durum olduğu ve büyük etki yaratmadığı belirtildi
  • Gelecekte filtreleme ile gidermenin daha uygun olacağı söylendi
• Katkılama derinliğini öngörmek için bir hesaplayıcı hazırlanarak katkılama profili modellendi
  • Hedef daha sığ bir profildi
• Bunun için 1,100°C’de 5 dakika tavlama yapıldı, ardından HF ile spin-on glass kaldırıldı
  • Sonrasında 1,000°C’de 10 dakika drive-in tavlaması uygulandı

Orta süreç: kapı oksidi ve kontaktlar

• Source ve drain oluşturulduktan sonra transistörün kapı bölgesi ve kapasitör bölgesi sürecine geçildi
  • Cam katman kaldığı için yeniden liftoff resist ve fotoresist sırasıyla uygulandı
• Kanal bölgesi mevcut source ve drain arasına hizalanarak oluşturuldu
  • Aynı anda transistörün üst tarafındaki yük depolama kapasitörü bölgesi de hizalanıp pozlandı
• Geliştirme sonrası HF ile source ve drain arasındaki orta oksit ile kapasitöre komşu oksit kaldırıldı
  • Bu noktalardaki oksit fazla kalın olduğundan uygun kalınlıkta kapı oksidi ve kapasitör oksidi gerekiyordu
• En kritik kanal bölgesi temizliği için piranha clean uygulandı
  • Bu temizlik yüzeydeki organikleri ve metallerin büyük kısmını güçlü biçimde uzaklaştırır
• Ardından tekrar fırına konularak kapı ve kapasitör oksidi büyütüldü
  • Daha yüksek kapasitans ve daha iyi kapı kontrolü için ince oksit hedeflendi
  • 950°C’de 38 dakikalık süreçle 200 angstrom, yani 20 nanometre kalınlığında oksit oluşturuldu
  • Aygıtın dış kısımlarında daha kalın oksit korunmuştur
• Daha sonra elektriksel bağlantı için oksidin seçici olarak açıldığı kontakt açma süreci uygulandı
  • LOR ve fotoresist uygulanıp bake yapıldı
  • Kontakt maskesi hizalanıp pozlandıktan sonra küçük açıklıklar oluşturuldu
  • HF, bu açıklıklardan geçerek silikon yüzeydeki cam tabakayı kaldırdı ve elektrik bağlantı yolu oluşturdu

Son süreç: metal biriktirme ve aygıtın tamamlanması

• Son seviyede transistör kapısı, elektriksel kontaktlar ve kapasitör elektrodunu oluşturmak için metal biriktirme yapıldı
  • Yeniden LOR ve fotoresist uygulanıp bake yapıldıktan sonra son maske hizalanıp pozlandı
• Önceki süreçler malzeme kaldırmaya odaklıyken bu aşamada fotoresist açıklıkları bir stencil gibi kullanıldı
  • Boya şablonuna benzer şekilde malzeme yalnızca gerekli noktalarda oluşturuldu
• Metal olarak alüminyum kullanıldı
  • Sputter sisteminde argon, metal hedefe çarparak metal atomlarının numune yüzeyine birikmesini sağladı
  • Numunenin kenarındaki bant bulunan bazı bölgeler dışında uniform kaplama elde edildi
• Sonrasında ısıtılmış DMSO ile fotoresist kaldırılarak lift-off uygulandı
  • Metal bükülüp ayrıldı ve yalnızca istenen desen kaldı
• Mikroskop incelemesinde transistör, kapasitör ve bağlantılar dahil tüm DRAM dizi yapısı doğrulandı
  • Kesit yapısı da ilk kavramsal çizimle uyumluydu
  • Transistör akım akışını kontrol ederek depolama kapasitörünü şarj ediyor ve veri bitini saklayabiliyor

Ölçüm sonuçları ve sınırlamalar

• Elektriksel özellikler, laboratuvar içi test ekipmanı ve yarı iletken parametre analizörü ile değerlendirildi
  • Aygıt nano ölçekli olduğundan sıradan kablolar yerine ince prob uçlarına sahip mikromanipülatörler kullanıldı
• Transistör ölçümünde kapı voltajına göre farklı akım eğrileri gözlendi
  • Kapı voltajına bağlı olarak neredeyse akımsız durum ile daha yüksek akım geçen durum arasında anahtarlama davranışı elde edildi
  • RAM kullanımında temel on-off davranışı yeterlidir
• Ancak tipik transistörlerdeki gibi akım doyumu görülmedi ve yüksek voltajda akım artmaya devam etti
  • short channel effect türlerinden biri olan punch through meydana geldi
  • Source ile drain arasındaki mesafe 1 mikronun altında olduğundan voltaj arttıkça iki bölge fiilen birbirine bağlandı
  • Bu da akım artışına ve kapı kontrolünün zayıflamasına yol açtı
  • Düşük voltajlarda çalışabilse de küçültmenin zorluklarını da ortaya koydu
• Kapasitör, CV plotter ile ölçüldü
  • Voltaj değiştirilerek kapasitans ölçüldü
  • En yüksek kapasitans 12.3 pF olarak kaydedildi
  • Tasarlanan teorik ideal değer olan 10 küsur pF seviyesine yakın bir sonuçtu
• Tek bir DRAM hücresi olarak birlikte çalıştırıldığında transistör, depolama kapasitörünü birkaç yüz nanosaniye içinde 3V’a kadar şarj etti
  • Ardından voltaj zaman içinde yavaş yavaş düştü
  • Yük yalnızca 2 ms’yi biraz aşan bir süre korunabildi
  • Bundan sonra yeniden şarj edilmesi gerekti
• Ticari DRAM, 64 ms’ten uzun süre koruma sağlayabiliyor
  • Bu tasarım ise daha yüksek sıklıkta refresh gerektiriyor
• Bunun, evde RAM üretimi açısından bir ilk olduğu ifade edildi
  • Şu anda yalnızca birkaç hücre düzeyinde çalıştığı kanıtlanmış durumda
  • Henüz PC’de Doom çalıştırabilecek seviyede değil
• Bir sonraki adım, hücreleri birbirine bağlayarak daha büyük bir diziye genişletmek
  • Sonrasında PC ile bağlama planı var

[cgl00]

RAM fiyatları o kadar yükseldi ki artık evde yapıp kullanmak gerekecek galiba ^^

[cronex]

Yorumlarda galiba lamb üzerinden kelime oyunu yapıyorlar.
Serbest dolaşan dRAM, koyun çiftliği, otla besi, çiğ et vb....

[yangeok]

Hahahaha, ne kadar eğlenceli insanlar.

[GN⁺]

Hacker News yorumları

• İnsanın aklına kendiliğinden sadece serbest gezen artisanal DRAM aldığına dair bir şaka geliyor
  • Düşününce core memory gerçekten dokunmuş bir bellekti. Örgü ve boncuklar bile işin içindeydi; ilgili hikayeler bu makalede de görülebilir
  • Dürüst olmak gerekirse herkesin içinde yarı gizli bir mühendis çocuk, kendi yarı iletken temiz odasını kurmak istiyor
  • Gerçekten de yaşamak için harika bir çağ gibi hissettiriyor
  • Ben otlakta yetişen RAM yerine sadece raw RAM tercih ettiğime dair kelime oyununu daha çok beğendim
  • DRAM’imi RAM ranch’ten tedarik ettiğime dair şaka da epey komik
    • Ben de bir adım ileri gidip mahalledeki Amish’lerden aldığımı eklerdim
• Görünüşe göre bu üretici, açık kaynak çip üretim araç seti HackerFab’den ilham alan bir set hazırlamış. Gerçekten müthiş bir proje; docs.hackerfab.org/home da kesinlikle görülmeye değer
• Bu videoyu dün izledim ve paylaşsam mı diye düşündüm ama HN’e uygun olup olmadığından emin olamadım Başka bir videoda sıradan bir arka bahçe kulübesinde temiz oda laboratuvarı kurma sürecini gösteriyor; gerçekten şaşırtıcıydı. Arka bahçede pozitif basınçla parçacık sayısını düşürdüğü sahne neredeyse sihir gibiydi
  • Kulübede RAM temiz odası kurma hikayesinin “news for nerds” olan Hacker News’e uygun olmayabileceğini düşünmüş olman ayrı komik
  • Hâlâ izlemediysen Indistinguishable From Magic: Manufacturing Modern Computer Chips videosunu şiddetle tavsiye ederim Biraz eski bir video ama bunun yerini alacak modern bir karşılığını hâlâ görmedim sanırım. Eskiden HN’e birkaç kez göndermiştim; tepkisi çok büyük olmasa da bana göre hâlâ tamamen akıl almaz derecede etkileyici
  • Bir kişinin kendisine ilginç gelen bir şeyi paylaşmasının her zaman değeceğini düşünüyorum. Sonrasını oylama sistemine bırakmak lazım
  • Açıkçası burada görmek istediğim içerik tam da buydu
  • Son zamanlarda ana sayfada Bonsai trees hakkında bir yazı da gördüm; insanın kendi RAM’ini yapması HN’le alaka açısından bence çok daha yukarıda
• Kafamdaki gelecek zaman çizelgesi şöyle. 1999’da flying cars hayal ediyorduk, 2024’te LLM yüzünden robotları konuşuyoruz, 2026’da da sonunda evde RAM yapmayı izliyoruz
  • 2027’de ev yapımı RAM ile bir LLM’i yükseltip ona bir flying car tasarlatabileceğimize dair şakalar da geliyor
  • 2027’de just-in-time yazılım ve donanımın birlikte üretileceğini de hayal etmek mümkün
  • 2030’da flying car’ların fiilen silahlı drone’a dönüşüp homefab’in yasaklanabileceğine dair distopik bir şaka da yapılıyor
• İnsanların sözünü ettiği Amerikan üretiminin geri dönüşü galiba tam olarak bu değildi; buna gülmemek zor
  • Şakayı bir kenara bırakırsak, biri kulübesine kendi temiz odasını kurup RAM bile üretebiliyorsa, şirketlerin pazara girişini aslında neyin engellediğini merak ediyorum Resmî sertifikasyon biraz eksik olsa bile gerçekten çalışıyorsa daha ucuz RAM almak isteyebilirim
  • Yakında her arka bahçede birer semiconductor furnace bulunacağına dair politik taşlama da yapılıyor
• Kondansatöre yük doldurulduğunu, bunun sızdığı için düzenli olarak yeniden doldurulması gerektiğini anlıyorum Ama değerin nasıl okunduğunu ve refresh’in nasıl yapıldığını tam anlayamıyorum. Transistörleri de henüz bütünüyle kavramış değilim ama yine de bu video gerçekten harikaydı
  • Benim anlayışıma göre olay, yük tamamen kaybolmadan önce o yük miktarını ölçmek Ölçümün kendisi yükün bir kısmını aldığı için DRAM çiplerinde değeri tekrar yazan devreler bulunur. 1 olması gerekiyorsa yeniden şarj edilir, 0 olması gerekiyorsa deşarj edilir. Refresh ile normal okuma neredeyse aynıdır; normal okumada tek fark değerin çıkış pinlerine de verilmesidir Videoda şu an sadece kondansatör ve transistörlerin temel dizilimi gösterildiği için okuma ve yeniden yazma devresi muhtemelen bir sonraki videoda yer alacaktır
  • Bence transistörü kabaca bir AND gate gibi düşünmek sezgisel olarak yardımcı oluyor Source ve gate tarafındaki koşullar sağlanırsa yük drain’e doğru hareket edebilir; bu yüzden kondansatördeki yükü başka bir transistöre bağlayıp hâlâ durup durmadığını kontrol etmek mümkün olur. Drain tarafındaki bu sinyalle mantık devresi çalıştırılabilir ve az önce okuma yüzünden zayıflayan kondansatör de yeniden şarj edilebilir Daha teknik olarak konuşursak bunu yük akışı yerine referans toprağa göre voltaj üzerinden açıklamak daha doğru olur
  • DRAM’in nasıl çalıştığına dair Wikipedia’daki Principles of operation bölümü oldukça iyi bir özet sunuyor Temel fikir, depolama kondansatöründeki yükün küçük bir kısmını bilerek çekip yükseltmek ve bu yükseltilmiş yükün bir kısmını tekrar depolama hücresine geri beslemek
  • Transistörleri anlamak için birkaç temel noktayı kavramak yeterli Arasında yalıtkan bulunan iki yakın iletken bir kondansatör oluşturur ve depolanan enerji elektrik alanında tutulur. İşte bu elektrik alanı da field effect transistor’ün çalışma mantığının özüdür Yalıtkan katman yeterince inceyse kaçak akım oluşur; nanometre ölçeğinde ise tek tek elektronların tünelleme yaptığı bile gözlenebilir, bu da oldukça ilginç
  • Gerçek DRAM, çok küçük kondansatörlerden oluşan büyük diziler ve her seferinde bir satırı sütun hatlarına bağlayan anahtarlardan oluşur Hatların kendi kapasitansı, depolama kondansatörlerinden daha büyük olduğu için önce bu hatlar bir referans voltajına precharge edilir; sonra seçilen satır bağlanınca kondansatördeki yük hatlara dağılır ve voltajı çok az değiştirir. Bu küçücük değişim sense amplifier tarafından güçlü biçimde 0 ya da 1’e yükseltilir; bu süreç aynı zamanda bağlı kondansatörün voltajını da geri kazandırdığı için refresh işlevi de görür Videodaki 4x5 dizinin, devam videosunda çip dışına okuma devresi kurabilmek amacıyla gerçek bir 64 Kbit DRAM’den yüzlerce kat daha büyük kondansatörler kullandığı tahmin ediliyor
• “Artık DownloadMoreRAM yok, sadece arka bahçe kulübesindeki bir adam var” sözü bana çok yerinde geldi downloadmoreram.com
  • Google Drive’ı mount edip swap file’ı oraya taşırsan, tam olarak olmasa da benzer bir şaka yapılabilir diye düşünüyorum
  • Buna bir pricing page eklense gerçekten satın alanlar çıkabilir gibi geliyor. Özellikle bugünlerde embedded LLM’ler yüzünden RAM ve CPU talebi çok arttı
  • Şu anki bellek fiyatlarıyla eski SoftRAM 95 tarzı bir iş fırsatı yeniden doğabilir diye de şaka yapılabilir
• Bu kişi, YouTube’a yeni başlayanların doğru nişi bulduklarında hâlâ başarılı olabileceğinin kanıtı gibi görünüyor
  • Tabii bunun önkoşulu, kulübenin içine temiz oda inşa etmek gibi muazzam bir şeyi gerçekten başarmak
  • Sonuçta içerik üretiminin özü her zaman içeriğin kendisiydi diye düşünüyorum. Özel ve içine çeken bir şey üretirsen izleyici gelir
  • Yine de bu videonun Patreon’da $10/month üyelik arkasında kilitli gibi görünmesine rağmen yaklaşık 329,611 görüntülenme almış olması, gerçekten ayda 3 milyon dolar mı kazandırıyor yoksa iş gerçekte o kadar basit değil mi diye düşündürüyor
• Arka bahçede semiconductor production yapmak, arka bahçe mangalına epey benziyor gibiydi Isıtma, duman benzeri difüzyon, enjeksiyon ve katman katman biriktirme süreçleri arasındaki benzetme gerçekten çok yerindeydi
• Bu işin OpenAI’ın kulağına gitmemesini umuyorum; adamın tüm stokunu satın alacaklarmış gibi geliyor
  • Sonra da Amerika’daki bütün sheds için önceden kira kapatmaya başlarlar diye hayal etmek mümkün