Teknoloji dünyasıyla biraz olsun yakından ilgileniyorsanız zaman zaman “Moore Yasası (Moore Kanunu)” şeklinde tanımlanan tuhaf bir tabir görmüş olabilirsiniz. Bu konu doğrudan yarı iletkenlerle alakalı. Peki yarı iletken sektöründe neden sürekli konuşulan “bir yasa” var?
Moore’s Law olarak bilinen Moore Yasası, şirket ve kişiler farketmeksizin yıllar boyunca teknoloji meraklılarının takip ettiği bir olgudur. İsmi neden mi Moore? Çünkü Intel’in kurucu ortağı Gordon Moore tarafından ortaya atıldı.
Moore Yasası Nedir?
İlk olarak 1965’te kaleme alınan Moore Yasası, bir entegre devre üzerindeki transistör sayısının her yıl ikiye katlanacağını belirtiyordu. Bu yasa, yarı iletken endüstrisini sürekli olarak ileri taşımak üzere bir kılavuz rolü oynadı. 1975’te Moore, transistörlerin her iki yılda bir ikiye katlanacağını öngörerek bu yasayı revize etti. Pek çok tartışmaya ve bazı aksaklıklara rağmen, Moore Yasası büyük ölçüde geçerliliğini korudu.
Diğer yandan bu yasa, bilgisayarlarımızın hızının ve kapasitesinin her iki yılda bir artmasını bekleyebileceğimizi, ancak teknolojik aletler için daha az para ödeyeceğimizi söylüyor. Moore Yasası’nın bir başka ilkesi de bu büyümenin üstel olduğunu ileri sürmekte.
Biraz daha detaya inelim. Intel’in kurucularından Gordon E. Moore, belirli bir birim alana sığdırılabilecek transistör sayısının yaklaşık her iki yılda bir iki katına çıkacağını öne sürdü. Gordon Moore aslında gözlemine “Moore Yasası” adını vermedi ya da bir “yasa” yaratmak için yola çıkmadı. Moore, Fairchild Semiconductor’da çip üretiminde ortaya çıkan eğilimleri fark ederek bu açıklamayı yapmıştı. Sonunda Moore’un öngörüsü bir tahmine dönüştü ve bu da Moore Yasası olarak bilinen altın kural haline geldi.
Gordon Moore’un kişisel gözlemini takip eden Moore Yasası, yarı iletken endüstrisine uzun vadeli planlama, ayrıca araştırma ve geliştirme (Ar-Ge) için hedef belirleme konusunda rehberlik etti. Başka bir bakış açısıyla, bu kanun 20. yüzyılın sonları ve 21. yüzyılın başlarına damgasını vuran teknolojik ve sosyal değişimin, üretkenliğin ve ekonomik büyümenin itici gücü olmuştur.
Aslında Moore’un rehberlik ettiği bu yasa biz son tüketiciler için oldukça pozitif. Hepimiz her zaman daha hızlı teknolojik cihazlar ve uygun fiyatlar bekleriz. Moore Kanunu, entegre devrelerdeki transistörler daha verimli hale geldikçe bilgisayarların, bilgisayarlarla çalışan makinelerin ve bilgi işlem gücünün zamanla daha küçük, daha hızlı ve daha ucuz hale geldiğini söylemekte. Yani 60 yılı aşkın bir süre sonra bile Moore Yasası’nın kalıcı etkisini ve faydalarını birçok yönden hissediyoruz.
Bilgi İşlem
Entegre devrelerdeki transistörler daha verimli hale geldikçe bilgisayarlar da daha küçük ve daha hızlı hale geliyor. Çipler ve transistörler, elektriği devre boyunca daha hızlı hareket ettirmek için mükemmel bir şekilde hizalanan karbon ve silikon molekülleri içeren mikroskobik yapılardır. Bir mikroçip elektrik sinyallerini ne kadar hızlı işlerse, bir bilgisayar da o kadar verimli hale gelir. Daha yüksek güçlü bilgisayarların maliyeti, kısmen daha düşük işçilik maliyetleri ve yarı iletken fiyatlarının düşmesi nedeniyle her yıl düşmekte.
Elektronik
Yüksek teknoloji toplumunun neredeyse her yönü Moore Yasası’ndan faydalanmakta. Akıllı telefonlar ve bilgisayar tabletleri gibi mobil cihazlar küçük işlemciler olmadan bu hale gelemezdi. Ayrıca video oyunları, elektronik tablolar ve küresel konumlandırma sistemleri (GPS) de dahil olmak üzere hayatımıza dokunan, kolaylıklar sağlayan çözümler olmazdı.
Tüm Sektörler Yararlanıyor
Dahası, daha küçük ve daha hızlı bilgisayarlar ulaşım, sağlık hizmetleri, eğitim ve enerji üretimini de geliştiriyor. Aslında günümüzde teknolojinin dokunmadığı bir sektör yoktur.
Moore Yasası Geçerliliğini Yitiriyor mu?
Bu konuda deneyimli olan kişiler, bilgisayarların 2020’lerde bir noktada Moore Yasası’nın fiziksel sınırlarına ulaşacağını düşünüyor. Kaçınılmaz olan şu ki transistörlerin yüksek sıcaklıkları sonunda daha küçük devreler oluşturmayı imkansız hale getirecek. Bunun nedeni, transistörlerin soğutulmasının, transistörlerden zaten geçen enerji miktarından daha fazla enerji gerektirmesi.
2005 yılında verdiği bir röportajda Moore, “…malzemelerin atomlardan oluştuğu gerçeği temel sınırlamadır ve bu o kadar da uzakta değildir… Oldukça temel bazı sınırları zorluyoruz, bu yüzden bir gün bir şeyleri daha küçük yapmayı bırakmak zorunda kalacağız.” itirafında bulundu.
Neler Olacak?
Moore Yasası artık yavaş yavaş geçerliliğini yitiriyor. Doğal olarak çip tasarlayan ve üreten şirketlerin işleri de her zamankinden daha zor olacak. Teknoloji devleri, fiziksel olasılıkların gerçekliğine karşı her zamankinden daha güçlü çipler üretme görevini üstlenmiş durumdalar.
Başlamadan önce küçük bir not iliştirelim: Nanometre bir metrenin milyarda biridir ve görünür ışığın dalga boyundan daha küçüktür. Bir atomun çapı yaklaşık 0,1 ila 0,5 nanometre arasında değişir.
Intel
Intel, 2012 yılında 22 nanometre (nm) işlemcisiyle seri üretim bir üründe dünyanın en küçük ve en gelişmiş transistörlerine sahip olmakla övünüyordu. Tarihler 2014 yılını gösterdiğinde daha küçük, daha verimli 14nm yongalar piyasaya sürüldü. Bugün ise 7nm (Intel 4 adıyla anılıyor) işlemciler piyasaya çıkıyor.
Teknoloji devi ayrıca 2nm ve 1.8nm gibi daha küçük transistörler için hazırlıklarını sürdürüyor. Intel, Intel 18A (1.8nm sınıfı) ve Intel 20A (2nm sınıfı) üretim süreçlerinin gelişimini başarıyla tamamladıklarını duyurmuştu. Bir hayli önemli olan bu üretim teknolojileri, gelecekte elimize ulaşacak olan teknolojik cihazların üretiminde kullanılacak. Ek olarak, bu teknikler Intel içi üretimin yanı sıra Intel Foundry Services (IFS) aracılığıyla farklı şirketler için de hizmet verilecek.
Intel’in 20A fabrikasyon teknolojisi, RibbonFET transistörlere dayanacak ve arka taraf güç dağıtımını kullanacak. Mavi devin bu öncü tekniklerle birlikte TSMC ve Samsung Foundry gibi yarı iletken şirketlerini geride bırakması bekleniyor. 2nm olarak da bilinen 20A, 2024’ün ilk yarısında kullanılmaya başlayacak.
18A üretim süreci, şirketin RibbonFET ve PowerVia teknolojilerini daha da geliştirecek, transistör boyutlarını biraz daha küçültecek. Bu tekniğin gelişimi görünüşe göre çok iyi ilerliyor: Intel, 1.8nm teknolojilerinin tanıtımını 2025’ten 2024 yılının ikinci yarısına çekti. 1.8nm sınıfı üretim teknolojisi bir aksilik olmaz ise 2024’ün ikinci yarısında yüksek hacimli üretime girecek, zamanın en gelişmiş teknolojisi olacak.
Intel CEO’su: “Moore Yasası’nın Önüne Geçeceğiz”
Intel CEO’su Pat Gelsinger’e göre Intel, zamanımızın en popüler teknolojik hedeflerinden (Moore Yasası) birini geride bırakmak için bir yolculuğa çıkacak. Mavi ekibin lideri, 2021 yılında Alder Lake işlemciler tanıtılırken iddialı bir şekilde Intel’in Moore Yasası tarafından tanımlanan ilerleme hızına ayak uyduracağını ve hatta önüne geçeceğini söylemişti.
Yasaya ve Gelsinger’in açıklamalarına göre Intel, önümüzdeki yıllarda inovasyon açısından çığır açan teknolojiler sunacak. Mavi takım, böylesine büyük bir zorluğun üstesinden gelmek için son dönemde önemli gelişmeler kaydetti. Yeni mimarilerin tanıtılması, gelişmiş ultraviyole litografi tekniklerinin geliştirilmesi ve kendi üretim operasyonlarını kontrol etme yeteneği, şirkete rekabette bir avantaj sağlıyor. Ayrıca Intel’in son derece büyük bir mali kaynağı var.
Samsung
Yarı iletken sektörünün öncülerinden olan Samsung, yıllık Samsung Foundry Forum etkinliğinde en son teknolojileriyle ilgili bilgiler sağlamıştı. Yüksek performanslı bilgi işlem (HPC), yapay zeka (AI), 5G/6G teknolojileri ve otomotiv uygulamalarında yaşanan büyümeyle birlikte yarı iletkenlere olan talep hızlı bir şekilde arttı ve artmaya devam ediyor. Samsung ise 2027 yılında gelişmiş 1.4nm üretim teknolojisini hayata geçireceğini duyurdu.
Yarı iletken üreticisi, GAA (gate-all-around) tabanlı teknolojileriyle birlikte 3nm süreç teknolojisinde seri üretime başlamıştı. Şirketin amacı, GAA tekniğini geliştirerek 2025 yılında 2nm, 2027 yılında ise 1.4nm nodunda üretim yapmak.
- Samsung, 2025’e kadar 2nm ve 2027’ye kadar 1.4nm teknolojilerinde seri üretime geçmeyi planlıyor.
- 2027 yılına kadar gelişmiş teknolojiler için üretim kapasitesinin 3 kattan fazla artırması hedefleniyor.
- HPC ve otomotiv dahil olmak üzere mobil olmayan uygulamaların, 2027 yılına kadar dökümhane portföyünün %50’sini aşması bekleniyor.
TSMC
TSMC, 2020’de N2 (2nm sınıfı) üretim sürecinin gelişimini ilk kez onayladığında pek fazla ayrıntı açıklamamıştı. Bunun yanında yonga üretiminin ne zaman başlayacağına dair bir öngörüde de bulunulmadı. Dünyanın en önemli yarı iletken üreticileri arasında yer alan TSMC, 2022 yılında teknolojinin tamamen yeni bir transistör yapısına dayandığını doğrulamıştı. Ancak 2nm üretim bandından çıkan çipler 2026’ya kadar piyasada olmayacak.
TSMC CEO’su Wei, N2 işleminin beklendiği gibi çok yönlü (GAA) transistörleri temel alacağını ilk ağızdan bildirmişti. Üretim süreci, 0.33 sayısal açıklığa sahip mevcut aşırı ultraviyole (EUV) litografisine güvenmeye devam edecek.
“N2 geliştirmemiz, yeni transistör yapısı da dahil olmak üzere ve beklentimize doğru ilerliyor. Tek söylemek istediğim, evet, 2024’ün sonunda risk üretimine girecek. Muhtemelen ikinci yarıya yakın ya da 2025’in sonunda üretim başlayacak. Bizim programımız bu.”
Teknolojinin 2024’ün sonunda demo üretimine ve 2025’in sonuna doğru yüksek hacimli üretime (HVM) hazır olması bekleniyor. Bu da TSMC müşterilerinin 2026’da ilk N2 tabanlı çiplerini teslim alabileceğini göstermekte.
AMD
AMD bildiğiniz üzere yarı iletken üretimi yapmayan, ancak tasarımlar üzerinde duran önemli bir şirket. Dr. Lisa Su, yaptığı bir röportajda Moore Yasası’nın halen geçerliliğini koruduğunu, ancak sürecin yavaşladığını söyledi. AMD CEO’su, performans, verimlilik ve maliyet zorluklarının üstesinden gelmek için işlerin farklı yapılması gerektiğini de ekliyor. Bildiğiniz üzere son dönemde çiplet tasarım ve 3D paketleme gibi teknolojiler revaçta.
AMD, 2015’te ilk HBM tasarımları, 2017’de çiplet işlemciler ve 2022’de 3D V-Cache tasarımıyla birlikte 3D paketleme teknolojileri konusunda önemli ilerlemeler kaydetti. Bu arada NVIDIA, Moore Yasası’nın artık bittiğin, ve iş stratejisi için geçerli olmadığını düşünüyor.
Lisa Su ayrıca geçiş teknolojileri nedeniyle artan maliyet ve azalan nesilden nesile performans farkına rağmen ilerlemeye devam edeceklerini belirtti. AMD şu an itibarıyla 3nm üzerinde çalıştıklarını ve 2nm’nin ötesindeki teknolojiler için çalışmalar olacağını söylüyor.
Yeni Yol: Çok Yongalı Tasarım ve 3D Paketleme Teknolojileri
Küçülen transistörler yarım yüzyılı aşkın bir süredir bilgi işlem alanındaki ilerlemelere güç verdi. Ancak yakında mühendisler ve bilim insanları bilgisayarları daha yetenekli hale getirmek için başka yollar bulmak zorunda kalacaklar. Fiziksel süreçler yerine uygulamalar ve yazılımlar bilgisayarların hızını ve verimliliğini artırmaya yardımcı olabilir. Bulut bilişim, kablosuz iletişim, Nesnelerin İnterneti (IoT) ve kuantum fiziği, bilgisayar teknolojisindeki yeniliklerin geleceğinde rol oynayabilir.
Öte taraftan teknoloji şirketleri gelecek ve hatta mevcut nesil ürünleri için çoktan adımlar atmaya başladı bile. Hem CPU’larda hem de GPU’larda mantıksal alan ve bellekteki muazzam artışlar, işlem teknolojilerindeki sürekli iyileştirmelerle elde edildi ve bileşenler yıllar içinde giderek daha küçük hale geldi. Anca yeni teknolojiler nasıl olursa olsun bu eğilim sonsuza kadar devam edemez.
AMD, Intel ve NVIDIA gibi şirketler bu sınıra ulaşılmasını beklemek yerine çok çipli tasarımlara yönelmeye başladı. Şirketler haklı olarak daha güçlü işlemciler yaratmak, ilerlemeyi sürdürmek için farklı yöntemler araştırıyor.
AMD
Çok yongalı tasarımlarla birlikte her bir çiplet için farklı üretim teknolojileri kullanmak mümkün. AMD, Ryzen işlemcileriyle tam bahsettiğimiz şeyi yaptı. Yarı iletken devi 2017’de Zen mimarisini tek kalıplı Ryzen masaüstü CPU şeklinde piyasaya sürdü. Birkaç ay sonra iki çok çipli ürün serisi, Threadripper ve EPYC piyasaya sürüldü; EPYC işlemciler dört kalıba kadar barındırabiliyordu. İki yıl sonra Zen 2’nin piyasaya sürülmesiyle AMD, çok çipli modül yaklaşımını tamamen benimsemeye başladı.
AMD ayrıca tam olarak aynı olmasa bile çok yongalı modül tasarımını RDNA 3 mimarisiyle ekran kartlarına da getirdi. Navi 3x GPU serisi, Grafik İşlem Kalıbı (GCD) ve Bellek Önbellek Kalıbı (MCD-Memory Cache Dies) olmak üzere iki temel parçadan meydana geliyor. AMD’nin Zen 2/3/4 işlemcilerinde benimsenen çiplet tasarımla benzerlikler var, ancak her şey grafik dünyasının ihtiyaçlarına uyacak şekilde tasarlandı. Başka bir deyişle, kırmızı takım işlemci tarafındaki deneyimlerini grafik cephesine aktarmayı başardı.
Kırmızı takımın X3D işlemcilerinden bahsetmeden geçmeyelim. AMD, 3D V-Cache teknolojisiyle birlikte önbellek yongalarını üst üste istiflemeye başladı. Böylelikle küçük bir alana daha yüksek miktarda önbellek yerleştirmek mümkün hale geldi. İşlemcinin üzerine dikey olarak ek bir SRAM yongası yerleştirmeyi başaran AMD, L3 önbellek kapasitesini önemli ölçüde (64 MB) artırırken özellikle oyunlarda çok daha yüksek performans değerleri sunabiliyor.
Intel
Intel ise 2023 Eylül ayında tanıtmış olduğu Meteor Lake platformuyla benzer bir yaklaşım benimsemeye başladı. Bu CPU’larda her bir birim farklı işlem teknolojileri kullanılarak üretiliyor. Örneğin hesaplama yongaları, entegre grafik yongası, SoC ve I/O yongası farklı üretim teknikleriyle üretiliyor, bunlar sonrasında öncü paketleme teknolojileriyle bir araya getiriliyor. Farklı birimleri bir araya getirmek için gelişmiş ara bağlantı teknolojileri kullanmak gerekiyor ki Intel bunun için Foveros 3D teknolojisini geliştirdi.
Şirket ayrıca AMD’nin 3D V-Cache teknolojisine benzer şekilde kendi 3D çiplerini geliştirmek üzere adımlar atıyor. Bir röportajda CEO Pat Gelsinger’e Intel’in tıpkı AMD’nin 3D V-Cache işlemcilerinde yaptığı gibi 3D önbellek yöntemini kullanıp kullanmayacağı soruldu. CEO Gelsinger, Intel’in biraz farklı bir yaklaşım benimsemekle birlikte CPU kalıbıyla eşleştirilmiş yığılmış önbellek kullanacağını doğruladı. Bu teknoloji Meteor Lake ile benimsenmeyecek ancak gelecekte piyasaya çıkacak olan farklı serilerde kullanılmak üzere geliştiriliyor.
“V-Cache’e atıfta bulunduğunuzda TSMC’nin de bazı müşterileriyle birlikte kullandığı çok özel bir teknolojiden bahsediyorsunuz. Açıkçası biz bunu kendi bileşimimizde farklı bir şekilde yapıyoruz ve bu özel teknoloji türü Meteor Lake’in bir parçası değil. Ancak yol haritamızda bir kalıpta önbelleğe sahip olacağımız ve bunun üzerine yığılmış kalıpta CPU işlemine sahip olacağımız 3D silikon fikrini görebilirsiniz. EMIB’yi de kullanarak Foveros’un farklı yeteneklerini ortaya çıkaracağız.”
Yeni nesil bellek mimarileri için gelişmiş yeteneklere, hem küçük kalıplar hem de yapay zeka ve yüksek performanslı sunucular için çok büyük paketler için 3D istifleme avantajlarına sahip olduğumuz için kendimizi çok iyi hissediyoruz. Yani bu teknolojilerin tamamına sahibiz. Bunları kendi ürünlerimiz için kullanmanın yanı sıra Foundry (IFS) müşterilerine de sunacağız.”
Bu arada Gelsinger’in de dediği gibi, 3D V-Cache aslında AMD’ye özel bir teknoloji değil: Kırmızı takım TSMC’nin SoIC paketleme teknolojilerinden yararlanıyor. Öte yandan Intel’in de böyle bir teknolojiyi benimsemesi mantıklı. Artık transistör aralıkları sıkılaştıkça şirketlerin farklı yollara yönelmesi gerekecek.
NVIDIA
NVIDIA’nın da benzer çalışmalar yaptığını biliyoruz. NVIDIA araştırmacıları, 2022 yılının başlarında Çoklu Çip Modülü (Multi Chip Module-MCM) tasarımlarının gelecekteki ürünler için nasıl uygulanabileceğini detaylandıran bir makale yayınlamıştı. Bilgi işlem giderek daha heterojen hale geldikçe şirketler de yarı iletken tasarımlarına esneklik katmanın yollarını arıyor.
Sızıntılara bakacak olursak yeşil dev çok çipli tasarımını ilk olarak Blackwell GPU mimarisiyle hayata geçirecek. Blackwell kod adlı gelecek GPU mimarisi muhtemelen öncelikle sunucu alanında kullanılacak, ancak GeForce serisi için de bazı söylentiler var.
GB100 kod adlı Blackwell veri merkezi GPU’su MCM tasarımını benimseyecek. Böylece NVIDIA, GPU bileşenlerini ayrı kalıplara bölerek gelişmiş paketleme tekniklerini kullanmaya başlayacak.
