Bilgisayar Çipleri Nasıl Daha Küçük Hale Getiriliyor?

In Makale by Egemen Yıldız1 Comment

Bilgisayar çiplerinin nasıl daha küçük hale getirildiğini ve bu konuda karşılaşılan engelleri ele alıyoruz.

Bilgisayar çipleri için büyük sayılar genellikle daha iyiye işaret ediyor. Daha fazla çekirdek, daha yüksek GHz değeri, daha büyük FLOP değerleri tüm kullanıcılar ve mühendisler tarafından talep ediliyor. Ancak bir diğer değer de günümüzde ön plana çıkmaya başladı. Çiplerin mümkün olduğunca küçük boyutta üretilmesi hedefleniyor.

Çip endüstrisinde; özellik boyutu, işlem devresi olarak adlandırılan bir kavramla ilişkilidir. Farklı üreticiler bu kavramı çipin farklı özelliklerine dikkat çekecek şekilde tanımlar. Ancak son zamanlarda bu kavram, genel olarak bu bir transistörün iki bölümü arasında yer alan en küçük boyuttaki boşluk olarak tanımlanıyor.

Transistör, herhangi bir işlemcinin kritik bir elemanıdır. Transistör grupları tüm işlemleri yapar ve veri depolaması da bu çipler içerisinde yapılır. Küçük bir devresine sahip olmak ise önemlidir. İşlemciler için büyük bileşenlerin durumunu değiştirmek daha uzun zaman alır, sinyaller daha uzun süre yol kat etmek zorunda kalır ve daha fazla enerjiye ihtiyaç duyulur. Ayrıca büyük bileşenler daha fazla yer kaplar ve çiplerin daha büyük hale gelmesine neden olur.

Eski işlemcilere baktığımız zaman, bu işlemcilerin hem daha büyük yer kapladığını hem de günümüz işlemcilerine göre daha az sayıda transistöre sahip olduğunu görürüz. İşlemcinin üzerindeki elektrik akımı çip üzerindeki devreler üzerinde ilerler, birçok işlem sırasında enerji harcanır ve bu enerjinin büyük bir kısmı ısı olarak açığa çıkar. Daha küçük işlem devresine sahip olmak transistörlerin daha hızlı geçiş yapabileceği ve böylelikle saniyede daha fazla işlem yapılabileceği anlamına geliyor. Ayrıca daha az enerji ısı olarak kaybedilecektir.

Peki dünya üzerindeki bütün çipler neden olası en düşük işlem devresi boyutunu kullanmıyor? Bu noktada fotolitografi olarak adlandırılan bir süreçten bahsetmek gerekiyor. Işığın bazı bölümlerden geçip bazı bölümlerde engellenmesi hedefleniyor. Işığın geçtiği yerlerde, ışığın küçük bir noktaya hedeflenmesi sağlanıyor ve bu nokta da çip üretimi sırasında kullanılan özel bir katmanla etkileşiyor. Böylelikle çip üzerindeki belirli parçaların ne olacağı belirleniyor.

Bu işlem için aslında ışık kullanılmıyor. Işık çeşitli elektromanyetik dalga boyuna sahip. Elektromanyetik dalgalar büyük bir olası dalga boyu skalasına sahip. Tüm bu skala bir araya geldiğinde ışık tayfı ortaya çıkıyor.

Görünür ışık bu ışık tayfı içerisinde oldukça küçük bir yere sahip. Görünen ışık yaklaşık 10^-7 metre boyutunda dalga boyuna sahip. Nanometre cinsinden bahsedecek olursak 380 ile 750 nm arasında bir aralıktan söz ediyoruz.

Günümüz çip dünyasında ise 7 nm, 10 nm gibi değerlerden söz ediliyor. Peki görünür ışıktan daha küçük bu değerlere nasıl ulaşılıyor? Bunun için fotolitografide görünür ışık değil de morötesi ışık (UV) kullanılıyor. Işık tayfında kızılötesi ışık, görünür ışığın bittiği 380 nm’den başlıyor ve 10 nm’ye kadar kısalıyor. Intel, TSMC ve GlobalFoundries gibi üreticiler, EUV (extreme UV) olarak adlandırılan bir elektromanyetik dalga çeşidini kullanıyor. Bu dalga yaklaşık 190 nm boyutunda. Bu ufak dalga yalnızca bileşenlerin kendisinin ne kadar küçük oluşturulabileceğini belirlemiyor. Aynı zamanda bu bileşenlerin genel kalitesi de potansiyel olarak daha iyi oluyor. Tüm bunlarla birlikte birçok parça birbirine daha yakın şekilde paketlenebiliyor ve çipin genel boyutu azaltılıyor.

Farklı şirketler, kullandıkları işlem devreleri için farklı isimler kullanıyor. Intel en son işlem devresi için P1274 ya da “10 nm” terimini kullanırken TSMC, işlem devresini 10FF olarak adlandırıyor. AMD gibi işlemci tasarımcıları TSMC tarafından ürütülen 7 nm boyutundaki işlem devrelerini kullanıyor.

6 nanometre denildiği zaman işlemciyi oluşturan silikon atomlarının birbirinden 0.5 nanometre uzakta olup atomların kendilerinin de yaklaşık 0.1 nanometre boyutunda olduğu ifade edilmiş oluyor. Bir transistör içerisinde yaklaşık 10 silikon atomu yer alıyor.

Intel, 10 nm üretim hattını 14 nm üretim hattı ile aynı verimde tutmakta zorlandı. GlobalFoundries de 7 nm ve daha küçük üretim hattı geliştirmeyi durdurdu. Intel ve GlobalFoundries şirketleri bu zorlukla sadece EUV fotolitografi yüzünden karşılaşmasa da sorunun bir parçası da bu tekniği ilgilendiriyor.

Işığın dalga boyu küçüldükçe taşıdığı enerji artıyor. Böylelikle üretim esnasında çipe zarar verme ihtimali artıyor. Bu yüzden kullanılan materyallerdeki ufak hatalar ve kontaminasyon çok önemli hale geliyor. Bu gibi faktörler yüzünden tam olarak kusursuz çip elde etmek oldukça güç oluyor.

Ayrıca atomlarla ilgili çeşitli sorunlar da mevcut. Elektrik akımı ve enerji transferi klasik kanunlara her zaman uymuyor. Elektriği, akan elektronlar şeklinde iletkenlerin içerisinde tutmak Intel ve TSMC’nin çalıştığı boyutlarda oldukça zor hale geliyor. Çünkü yalıtım malzemesi yeterince kalın olamıyor.

Tüm bunlara ek olarak maliyet de önemli bir sorun olarak üreticilerin karşısına çıkıyor. Daha küçük boyutta üretim yapmak için kullanılan silikon devre levhası sayısı artıyor. Bu durum da maliyetleri arttırıyor. Daha ufak üretimle birlikte aynı sayıda levhaya daha fazla çip sığdırmak mümkün oluyor. Bu da artan maliyetleri dengeleyen önemli faktörlerden birisi. Tabii ki artan maliyet, artan ürün fiyatı olarak tüketicilerin karşısına çıkıyor.

Gelecekte Neler Olacak?

Yakın gelecekte bu konuda olumlu gelişmeleri göreceğiz. Sadece üretim bandında Samsung ve TSMC, 7 nm üretimlerini daha verimli hale getirmiyor. Aynı zamanda çip tasarımcıları da ürünlerini daha iyi tasarlıyor. 3. nesil AMD Ryzen işlemcilerin tasarımını bu duruma örnek gösterebiliriz. Bu işlemcilerde TSMC’nin iki adet 7 nm’lik işlem düğümü ile GlobalFoundries tarafından üretilen bir 14 nm’lik işlem düğümü bulunuyor. İki adet düşük nanometre üretime sahip çip asıl işlemci parçalarını oluştururken, 14 nanometrelik çip DDR4 belleğini ve PCI Express cihazlarını yönetiyor. Bu tarz tasarımları yakın gelecekte daha fazla üreticinden de göreceğiz.

Samsung ve TSMC, 5 nm üretim süreci için araştırmalarını sürdürüyor. 5-6 sene içerisinde 5 nm üretim bandında ürünleri görmeye başlayabiliriz. Çipler daha küçük ve daha hızlı olacak. Daha az enerji harcayacak ancak daha fazla performans sunacak. Daha fazla akıllı cihaz günlük hayatımıza girecek. Cep telefonlarımızın batarya süresi ve gücü artacak. Oyunlardaki grafikler de çok daha iyi hale gelecek.