microelettronica

Costruire memoria RAM funzionante partendo da un capanno da giardino sembra una di quelle storie che si leggono e si pensa subito alla bufala. Eppure è successo davvero, e il risultato racconta parecchio su dove si trova oggi la microelettronica e su quanto siano diventati complessi i processi industriali dietro componenti che tutti danno per scontati. Il mercato globale delle memorie è dominato da colossi come Samsung, SK Hynix e Micron, che controllano la stragrande maggioranza della produzione mondiale, con prezzi che risentono anche della crescente domanda legata all'intelligenza artificiale. Ecco perché l'idea di fabbricare celle di memoria funzionanti in un laboratorio domestico va ben oltre la semplice curiosità da maker. L'esperimento è opera di uno youtuber conosciuto come Dr.Semiconductor, che ha dimostrato una cosa tutt'altro che banale: alcune fasi fondamentali della fabbricazione dei semiconduttori si possono replicare su scala ridotta, ottenendo risultati reali. Nessuno parla di competere con l'industria, ovviamente. Si parla di capire davvero come nasce un dispositivo che normalmente viene trattato come una scatola nera. Il primo problema da affrontare non è elettronico, ma ambientale. Per produrre chip servono ambienti con una concentrazione di particelle bassissima: una cleanroom di classe 100 mantiene meno di 100 particelle per piede cubo. In un contesto domestico raggiungere condizioni simili è complicato, ma non del tutto impossibile in forma approssimata. Nel suo laboratorio improvvisato, Dr.Semiconductor ha usato filtri HEPA, controllo del flusso d'aria e superfici trattate per ridurre la contaminazione. La purezza industriale resta un miraggio, e infatti la resa è limitata, però il livello raggiunto basta per produrre strutture funzionanti su piccola scala. In pratica, eliminando la maggior parte delle impurità si riesce a ottenere qualche dispositivo valido. Come funziona una cella DRAM e cosa ha costruito Dr.Semiconductor Una cella di DRAM ha un'architettura sorprendentemente semplice: un transistor e un condensatore. Il transistor fa da interruttore, il condensatore immagazzina la carica che rappresenta il bit. Nelle memorie RAM di tipo DRAM, il processo di lettura è cosiddetto "distruttivo" perché, per rilevare il valore memorizzato, la carica nel condensatore viene parzialmente o completamente scaricata. Questo significa che il dato va riscritto tramite un'operazione di refresh periodico per mantenere l'informazione. Dr.Semiconductor ha realizzato una struttura con una matrice 5×4, basata su transistor con una lunghezza di gate inferiore al micron. Siamo lontanissimi dai nodi industriali a 5 o 3 nanometri, ma il livello è sufficiente per osservare il comportamento elettrico reale. E già sotto il micron emergono effetti fisici complessi, spesso trascurati nei modelli teorici. Il processo parte da un wafer di silicio, tagliato lungo i piani cristallini con strumenti meccanici di precisione. La prima fase è una pulizia con solventi come acetone e alcol isopropilico per eliminare i contaminanti organici. Segue l'ossidazione termica a circa 1.100°C, dove il silicio reagisce con l'ossigeno formando uno strato di ossido di circa 3.300 Angstrom, che funziona da barriera protettiva. Poi si passa a un sistema a doppio strato di resist e a una fase di fotolitografia sub micronica, con esposizione a luce UV per definire le strutture. Dopo aver disegnato il pattern, si procede con l'etching a secco, una tecnica che usa gas reattivi per rimuovere in modo mirato lo strato di ossido solo dove serve. Per rendere il silicio conduttivo nelle regioni attive, viene introdotto fosforo tramite spin on glass drogato, seguito da cicli termici a temperature elevatissime per controllare la diffusione dei droganti. L'ossido di gate ottenuto, spesso circa 20 nanometri, è un elemento critico perché influisce direttamente sulle prestazioni sia del transistor sia del condensatore. I risultati delle misurazioni e i limiti fisici della RAM fatta in casa Le misurazioni di laboratorio hanno evidenziato comportamenti significativi. Il transistor funziona come interruttore, ma quando le dimensioni interne si riducono troppo emergono fenomeni tipici dei dispositivi miniaturizzati, come il cosiddetto punch through: la corrente riesce ad attraversare il dispositivo anche senza un adeguato controllo del gate, e a tensioni elevate il gate perde parte della sua capacità di regolazione. Il condensatore raggiunge una capacità di circa 12,3 picofarad, in linea con le aspettative teoriche. La ritenzione della carica, però, resta limitata: la scarica completa avviene in circa 2 millisecondi, contro i 64 millisecondi tipici della DRAM commerciale. Questo impone frequenze di refresh molto più elevate. Il risultato è comunque notevole: la cella DRAM si carica a 3V in meno di 200 nanosecondi, dimostrando che il principio di funzionamento è corretto. Nessuna possibilità, chiaramente, di produrre gigabyte di memoria RAM in un laboratorio domestico. Ma esperimenti come quello di Dr.Semiconductor permettono di osservare direttamente fenomeni che altrimenti rimarrebbero del tutto astratti, offrendo una lettura diversa dell'hardware moderno: non come prodotto finito, ma come risultato di una sequenza precisa di trasformazioni fisiche e chimiche.

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Memoria RAM costruita in un capanno: il progetto che sembra impossibile