4K film izlemek, yüksek kaliteli grafiklere sahip oyunlar oynamak, tasarım yapmak, video işlemek, yüksek performanslı bilgi işlem veya yapay zeka işlemleri olsun, günümüzde kolayca yaptığınız her şeyin ardında gelişmiş çip teknolojileri yatıyor. Her türlü yoğun işlem gerektiren uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamak için, yongalara her geçen gün daha fazla transistör yerleştirilmesi gerek. Bunun için transistörlerin sürekli duyduğunuz “nanometre ölçeğinde” gelişmesi, küçülmesi gerekiyordu. Ancak artık nanometre çağından “angstrom” çağına geçiş başlıyor. Peki nedir bu angstrom denilen terim?
Intel, Samsung Foundry ve TSMC gibi dökümhaneler 2 nanometre çip üretim teknolojisi için sıkı şekilde çalışıyor. 2nm sınıfı yongaları üreten ilk şirket, 18A ile Intel olmuştu. Bu isimlendirme gözünüze tuhaf gelebilir: “18A” tanımı bir paradigma değişimine işaret ediyor. Her nanometre 10 angstroma eşit olduğundan, “18A” yaklaşık 18 angstromluk (1,8 nm) bir süreci ifade ediyor. Yani en azından pazarlama açısından atom ölçeğinde tasarım başlamış oldu diyebiliriz.
Angstrom nedir?
Angstrom aslında bir ölçü birimi. Çip teknolojilerinde bu seviyelere geldiğimiz için “anstrom çağı başladı” şeklinde söylemler duyuyorsunuz. Özetle bir angstrom (Å) 1 nanometreye eşit geliyor. Biz şimdilik 18 angstrom, başka bir deyişle 1.8nm seviyesine henüz yeni geldik. 3 nanometre ölçeğinde çipler zaten yaygın olarak kullanılıyordu. Artık transistör boyutlarını düşürmek çok daha zor bir hal alacak, bu nedenle yonga teknolojilerinin ve bağlantılı olarak teknoloji dünyasının geleceği merak konusu.
Angstrom yongalar, ölçeği günümüzdekinden 10 kata kadar azaltarak daha hızlı, daha küçük ve yüksek enerji verimli elektronik cihazların yolunu açacak. En azından hedefler bu yönde. Hedeflerini gerçekleştirmek isteyen araştırmacılar, geleneksel silikon bazlı yarı iletkenlerin ötesine geçmeli. İşte burada grafen ve geçiş metali dikalkojenitler (TMD’ler) gibi 2D materyaller devreye giriyor. Son derecede ince yapıda olan materyaller, yeni nesil yüksek performanslı, enerji verimli çiplerin yapımında kullanılabilir.
Geleneksel silikonun fiziksel minyatürleştirme sınırlarına ulaşmasıyla birlikte, bu durum yarı iletken mühendisliğinde bir paradigma değişikliğini işaret ediyor. Tek bir silikon atomunun boyutu yaklaşık 210 pikometre, yani 0,21 nanometre. Konumuz olan anstrom ölçeğinde ise 2,1 angstrom. 7nm seviyesine ulaşmak için kabaca yan yana 33 atom gelmesi gerekiyor; transistör/kapı üç boyutlu, yani birkaç atom kalınlığında ve yaklaşık 7 x 7 nm boyutlarında olduğunda.
Örnekleri çoğaltacak olursak, bir atom 1-5 angstrom, 1 nanometre 10 angstrom, 1 mikron 10.000 angstrom, insan saçı ise 500,000 angstrom düzeyinde. Bu kıyaslamayla çiplerde kullanılan transistörlerin ne kadar küçük ve birbirine yakın olduğunu tahmin edebilirsiniz.
Kısacası angstrom, atomların, moleküllerin ve yarı iletken endüstrisinde entegre devre parçalarının boyutlarını ifade etmek için sıklıkla kullanılan bir ölçü birimi. Işığın dalga boyları angstrom cinsinden ölçülüyor ve yeni çip teknolojilerinin markalaşmasında nanometreden sonra angstrom kullanılmaya başlayacak.
Angstrom süreci
2021’de Intel, angstrom çağını tanıtan ve bir süreç yol haritası ortaya koyan ilk şirketti. Bu arada, nano ve dijital teknolojiler için bağımsız araştırma merkezi olan imec, sektörü 2036 yılına kadar iki angstroma ulaştıracak bir çip ölçeklendirme yol haritası hazırladı. Angstrom ölçeğinde tasarımların vaadini gerçekleştirmek, yarı iletken ekosisteminde iş birliği ve yaratıcılık gerektirecek. Litografideki yeniliklerden, gate-all-around (GAA) ve complementary FET (CFET) gibi yeni transistör yapılarına ve çoklu kalıp sistemlerine kadar yeni teknikler ve teknolojiler çoktan ortaya çıkmaya başladı.
Araştırmacılara göre “1nm’nin altına inmek” mümkün. Ancak sonuçları görmeden erkenden bir şey söylememiz mümkün değil. Boyutları küçültmek çok zor ve kuantum etkileri şimdiden devreye giriyor. Örneğin 5nm’den 3nm’ye geçmek için gereken süre iki katına, maliyet ise iki katından fazla arttı. Özellikler küçüldükçe durum daha da kötüye gidecek. Ancak karamsarlığa yer yok, her zaman bir çözüm vardır.
Üç boyutlu çip çözümü
Eğer hedefler beklendiği gibi gerçekleşmezse, her ihtimale karşı ikinci bir plan var. Potansiyel çözümlerden biri, 3D NAND yongalarda, yani flaş belleklerde olduğu gibi çipleri üç boyutlu hale getirmek.
Moore Yasası geçerliliğini yitiriyor, yeni inovasyonlar gerekli
Moore Yasası’na göre, yonga tasarımcıları yongalarının yoğunluğunu yaklaşık iki yılda bir ikiye katlamalı. 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.
Moore Yasası nedir? Çiplerin geleceği nasıl şekillenecek?
Süreç teknolojilerindeki giderek küçülen özellikler sayesinde tasarım ekipleri, dünyamızın taleplerini karşılamak için güç, performans ve alan avantajlarından yararlanmaya devam etti. Ancak Moore Yasası’na göre özellik ölçekleme adı verilen ve giderek küçülen özellikler üretme yeteneği yavaşlıyor. Bilim insanları ise gidişatı yavaşlatmamak adına inovasyonlar üzerinde çalışıyor.
Angstrom düzeyinde ölçeklendirme ileriye dönük bir yol sunuyor. Her ardışık işlem neslinde transistör yoğunluğunun iki katına çıkarılması gibi Moore Yasası’nın hedefleri korunurken, özellik ölçeklendirmedeki yavaşlamayı telafi etmek için bir dizi yeni teknoloji devreye giriyor. Angstrom düzeyinde ölçeklendirme ile tasarım mühendisleri bir çipe daha fazla transistör sığdırabilir, böylece cihazlar daha düşük güçle daha yüksek performans sağlayabilir. Nihayetinde ise yapay zeka, bilimsel hesaplama ve yüksek performanslı bilgi işlem gibi her alanda yeni olanakların kapıları aralanacak.
2D materyal ne ifade ediyor?
2D malzemeler, genellikle sadece bir atom kalınlığında olan ultra ince malzeme katmanlarıdır. En bilinen örnek grafen (bal peteği şeklinde düzenlenmiş karbon atomları) olmakla birlikte, molibden disülfür (MoS), altıgen bor nitrür (h-BN) vb. gibi birçok başka örnek de mevcut.
Bu malzemeler mükemmel elektriksel, termal ve mekanik özelliklere sahip. Ultra ince kalınlıklarda iletkenliği koruyabiliyorlar, ısı kaybını azaltıyorlar ve heterojen çip tasarımına (farklı malzemeleri tek yongada birleştirmek mümkün) imkan sağlıyorlar.
Transistör nedir?
Elektronik cihazların temel yapı taşı olan transistörler, elektronik sinyalleri ve elektrik gücünü yükselten veya değiştiren yarı iletkenlerdir. Bilgisayarlar, akıllı telefonlar ve dijital saatler de dahil olmak üzere neredeyse elektronik cihazların tümünde yer alan en önemli temel bileşen.
Transistör dediğimiz iletkenlerin modern elektronikteki önemi çok büyük ki şu sözleri tekrar hatırlatalım: Bilim ve mühendislik tarihinin en iyi icatlarından biri olarak kabul görüyor. Teknolojide devrim yaratılırken elektronik cihazların minyatürleştirilmesi sağlandı, dolayısıyla daha küçük, daha hızlı ve enerji verimliliği yüksek ürünler üretmek hayal olmaktan çıktı.
Tüm dijital cihazların kalbi olan entegre devrelerin işlevselliğini sağlayan transistörler sayesinde sayısız cihaz geliştirildi. Radyo ve televizyonlardan bilgisayarlara ve cep telefonlarına kadar, bu küçük parçalar günlük yaşamlarımız üzerinde önemli bir etki yarattı. Ayrıca mikroişlemciler, dijital sinyal işleme ve veri depolamanın geliştirilmesini sağlayarak teknolojinin ilerlemesinde de çok önemli bir rol oynuyor.
Transistörler dijital çağı mümkün kılmıştır desek yeridir. Onlar olmasaydı, bugün keyfini çıkardığımız teknolojik ilerlemeler mümkün olmazdı. Hatta belki avcunuza sığan akıllı telefonunuzda veya güçlü bilgisayarınızda bu kelimeleri okumuyor olacaktınız. Bu nedenle modern teknolojiye hakim olabilmek için transistörlerin nasıl çalıştığını ve elektronikteki rollerini anlamak gerek.
Bir transistör kendi başına sadece bir devre elemanına sahiptir. Küçük miktarlardaki transistör basit elektronik anahtarlar oluşturmak için kullanılır. Devrelerle birbirine bağlanmış ve tek bir silikon mikroçipin içine yerleştirilmiş çok sayıda transistörden oluşan entegre devrelerin (integrated circuit-IC) temel elemanlarıdır.
Milyonlarca ve hatta günümüzde milyarlarca transistörü tek bir entegre devre içine yerleştirmek mümkün. İşte yüksek teknolojiyle üretilen bu tür çipler çok daha performanslı, çok daha verimli. İletkenler sadece işlemciler değil, aynı zamanda MP3 çalar, akıllı telefon ve kameralar dahil olmak üzere sayısız üründe yer alan depolama birimlerinde de kullanılıyor. Geçici depolama sunan RAM teknolojilerinde yine aynı şekilde yongalar, yani yongaların meydana gelmesi için gereken transistörler yer alıyor.
Intel
Biraz önce de sözünü ettiğimiz gibi Intel, 2nm (1.8nm) süreç teknolojilerine sahip çipleri üreten ilk şirket oldu. Çip üretim teknolojileri nanometre düzeyinin altına inmeye gittikçe yaklaşıyor. Detaylarını tüm teferruatıyla anlattığımız Core Ultra Series 3 “Panther Lake” işlemciler, Intel’in 18A teknolojisiyle üretilecek. İsimlendirmenin 18A şeklinde olduğuna bakmayın, şirket bu tekniği yüksek hacimli üretime ulaşan ilk 2nm (aslında 1.8nm) sınıfı süreç olarak lanse ediyor.
Panther Lake bu sebeple oldukça önemli bir mimari. Yeni işlemciler, Intel’in rekabetçi ürünler geliştirme ve bunu en üstün teknolojileri kullanarak şirket içinde üretme yeteneğini göstermesi açısından önemli.
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 hazır olması bekleniyor. Bu da TSMC müşterilerinin 2026’da ilk N2 tabanlı çiplerini teslim alabileceğini göstermekte.
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. HPC ve otomotiv dahil olmak üzere mobil olmayan uygulamaların, 2027 yılına kadar dökümhane portföyünün %50’sini aşması bekleniyor. Diğer yandan Samsung, 2025’e kadar 2nm ve 2027’ye kadar 1.4nm teknolojilerinde seri üretime geçmeyi planlıyor. Ayrıca 2027 yılına kadar gelişmiş teknolojiler için üretim kapasitesinin 3 kattan fazla artırması hedefleniyor.
Applied Materials’ın yeni döneme yönelik çip araçları
Applied Materials, 2025 Ocak ayında şirketin “angstrom dönemi” olarak adlandırdığı çip üretimini tanımlayan üç yeni çip üretim aracını tanıtmıştı. Bu araçlar, bazen tek tek atom düzeyinde kontrol edilen yeni nesil işlem teknolojilerine geçişin sinyalini veriyor. Kinex, Xtera ve PROVision 10 adlı son teknoloji sistemler yeni nesil üretim yöntemlerini mümkün kılarken, aynı zamanda günümüzün yarı iletken üretim teknolojilerinin ve paketleme teknolojilerinin performansını ve verimini artırmak üzere tasarlandı.
Applied Materials Yarı İletken Ürünler Grubu Başkanı Dr. Prabu Raja yeni sistemler hakkında şu sözleri söyledi:
“Çipler daha karmaşık hale geldikçe, Applied yapay zekayı ölçeklendirmek için gereken performans ve güç verimliliği iyileştirmelerini sağlamak üzere malzeme mühendisliğinde çığır açan gelişmelere odaklanıyor. Çip üreticilerinin yol haritalarını hızlandıran ve mantık, bellek ve gelişmiş paketleme alanlarında önemli cihaz dönüşümlerini mümkün kılan çözümleri birlikte geliştirmek için müşterilerimizle daha erken ve daha derin bir işbirliği içindeyiz.”
x birimine kadar yolu var! zaten x birimini gördüğümüz an ışınlanma gerçekleşmiş demektir!