İşlemci Üretiminde 7nm Sınırı Nedir?

Intel’in 7nm işlemcilerini daha ileri tarihe ertelemesi ne anlama geliyor?

Geçtiğimiz günlerde Intel, işe alma belgelerinde ufak bir güncelleme yaptı. Bu güncellemeden öğrendiğimiz üzere Intel, 7nm üretim sürecine 2020’de değil 2022’de geçiş yapacak. 7nm işlemci üretimi, çoğu uzman tarafından geleneksel işlemci üretiminin son noktası olarak görülüyor.

Intel ve AMD gibi işlemci üreten şirketlerin 7nm’nin altına inmesi, fizik kuralları açısından alt sınır olarak görünüyor. Intel, bu nihai işlemci boyutuna ulaşmadan önce, hali hazırdaki üretim sürecinden maksimum getiriyi elde etmeyi planlıyor.

Intel’in meşhur Moore yasası, son yıllarda bolca değişikliğe uğramıştı. İlk etapta 1 yıllık bir süreç olarak planlanan işlemci yükseltme süreci, geçtiğimiz yıllarda tick-tock kod adıyla iki yıla çıkarılmıştı. Intel 10nm işlemci dönemi için bu süreyi daha da artırmayı planlıyor.

Intel’in şimdiki planı, 10nm üretim sürecini üç evreye ayırmak. İlk evre olan 10nm 2017-2018, döneminde ikinci evre olan 10nm+ 2018-2019, 7nm öncesi son evre olan 10nm++ ise 2019-2020 döneminde üretilmeye başlanacak.

İşlemcilerin en büyük düşmanı: Fizik kuralları

Yukarıda 7nm üretim sürecinin, inilebilecek en düşük nokta olduğunu belirtmiştik. Pek çok uzman, bu aşamadan sonrasının fizik kurallarını kıracağını belirtiyor. Peki bu tam olarak ne anlama geliyor?

Öncelikle işlemcilerin en küçük biriminin transistörler olduğunu belirtelim. Bir çeşit kapı olan transistörler, elektronların duruma göre ilgili kapıdan geçmesini sağlıyor veya o elektronu durduruyor.

7nm altındaki bir kapı, boyut olarak iki silikon atom kalınlığında oluyor. İlk bakışta bu boyut, elektron transferi için fazlasıyla yeterli görünse de, işin içine kuantum mekanikleri girdiği için bu boyutlar kontrollü elektron alışverişi için yetersiz kalabiliyor.

Bir elektronun tam konumunu herhangi bir zaman için bilmenin imkansız olduğu, elektronlar hakkında bilmeniz gereken en önemli detaylardan biridir. Elektronların olabileceği potansiyel konumlar ise ancak tahmin edilebilir. Bu olasılık, atomun etrafını çevreleyen yörüngesel bulut içerisinde %95 civarındayken, buluttan uzaklaşıldıkça %0’a yaklaşır.

Sonuç olarak 7nm altındaki transistörlerde elektronun mantıksal kapıları yok sayma gibi bir olasılığı mevcut. Yani elektron herhangi bir zamanda kapalı bir kapıdan geçebilir. Söz konusu milyonlarca mantıksal kapıdan oluşan işlem birimleri olduğunda, bu tip kaçaklar işlemcinin istenilen şekilde çalışmasını imkansız hale getirebilir.

Bu sorunu aşabilecek birkaç teknikten bahsediliyor. Yeni bir yüzey kullanımı bunlardan biri, transistör tasarımını değiştirmek ise bir diğeri. Ancak TSMC’nin geçtiğimiz günlerde 2018 için 7nm üretim sürecine geçeceğini duyurması en önemli soruyu akıllara getiriyor; Intel geride mi kaldı?

TSMC yetkilisi Simon Wang, 2018’in ilk çeyreğinde 7nm işlemcilerin üretimine başlayacaklarını duyurdu. 2019 yılında 10nm işlemcilerin yeni yeni ortaya çıkacağını göz önüne alırsak 2018 tarihi merak uyandırıyor. Ancak asıl merak konusu, Intel’in 7nm ve sonrası için çekindiği fizik seviyesi sorunların TSMC’yi etkilemiyor gibi görünmesi.

Adlandırma farkları

TSMC’nin  görünürde Intel’den çok daha önce 7nm üretim sürecine atılmasının açıklaması, iki firmanın da üretim süreçlerini farklı adlandırmasında yatıyor.  Intel, her üretim süreci için eşit boyutta bir omurga kullanıyor.

Öte yandan TSMC, Samsung, GlobalFoundries gibi diğer üreticiler genellikle bu boyutları karıştırıp kullanıyor. Örneğin TSMC’nin 16nm FinFET teknolojisi 20nm’lik omurgalar kullanıyor. Aynı şekilde TSMC, 10nm’lik işlemcileri için de büyük olasılıkla 14nm’lik omurgalar kullanacaktır.

Bu noktada işlemci üreticilerinin pazarlama metotlarına dikkat etmek gerekecektir. Bir işlemcinin 7nm veya 10nm olarak pazarlanması, işlemcinin her katmanının belirtilen boyutta olacağı anlamına gelmiyor. Bir üretim sürecinin, pazarlandığı boyuta ne derece yakın olduğunu, transistör kapı alanına bakarak tespit edebilmek genelde mümkün.

Örneğin gerçek bir 22nm’lik işlemcinin kapı alanı 90nm olmalıdır. Öte yandan Samsung ve TSMC gibi üreticilerin 14 ve 16nm’lik işlemcileri de benzer alan değerlerine sahip. Kısaca fiziksel olarak bu 14 ve 16nm’lik işlemcilerin aslında Intel’in 22nm’lik işlemcilerine denk olduğunu söyleyebiliriz.

Şimdi Intel’in FinFET’li 14nm üretim sürecine bakalım. Basit bir matematiksel hesaplama ile 14nm’lik bir işlemcinin transistör kapı alanı, 22nm’lik işlemcilere göre %63 daha küçük olmalıdır. Intel bu oranı tam olarak yakalayamamış olsa da, %30-40 civarı bir küçülmeyle kapı alanını 70nm civarına çekmeyi başarmıştır.

Bu değer, piyasadaki diğer 14nm’lik işlemcilere kıyasla ideal kapı alanına en yakın olanıdır. Yani TSMC’nin 10nm’ye geçeceğini duyurması basitçe transistör kapı alanının 70nm civarına çekileceği anlamına geliyor, ki Intel bu değerlere zaten ulaşmış bulunuyor.

7nm ve ötesi

TSMC, 10nm sonrasında Extreme Ultraviolet Lithography (EUV) tekniğine geçiş yapacağını ve bu tekniği kullanan ilk üretici olacağını iddia ediyor. Geleneksel açıdan kullanılan lazerin kapasitesi, dalga boyunu ikiye bölerek hesaplanabilir. EUV 13.5nm’lik bir dalga boyuna sahip olduğu için, şimdilik sınır 6.75nm olarak görünüyor. Çoklu desenleme gibi yöntemlerle teorik olarak 5nm’ye kadar inilebiliyor.

Yaklaşık iki yıl önce ASML ve TSMC, ASML’nin NXE:3300B sistemini kullanarak bir günde 100’den fazla silikon devre levhası üretmeyi başarmıştı. TSMC hali hazırda bu sistemlerden ikisine sahip ve günde 1000 levha üretebilmek için fabrikalarına iki tane daha eklemeyi planlıyor.

Intel yetkilileri ise 10nm için EUV kullanmaya ihtiyaç duymadıklarını ve bu yöntemi 10nm altı üretim süreçlerine sakladıklarını dile getirdi. ASML’nin müşterileri gizli tutulsa da, Intel’in hissedar oluşu, işlemci devini bariz adaylardan biri kılıyor.

Sonuç olarak pek çok analizci Intel’in 14nm’ye geçişte sıkıntı yaşadığını ve bu sıkıntıların 10nm ve 7nm’ye geçişte daha da zorlaşacağını belirtse de, Intel’in işlemci piyasasındaki öncü konumu kolay kolay sarsılmayacak gibi görünüyor. Zira ilerleyen yıllarda Intel üretim sürecini küçültme konusunda geri kalsa bile, bunun başlıca sebebi hali hazırda küçültme işlemini rakiplerine göre çok daha geniş çapta gerçekleştiriyor oluşudur.

Tüm bunları göz önüne aldığımızda 7nm üretim sürecinin 2021 veya 2022’ye sarkması gayet olağan görünüyor. Ancak Intel’in üretim süreci konusunda öncü konumunu tam anlamıyla kaybetmesi için EUV tekniğini tamamen pas geçmesi gerekiyor. EUV tarayıcılarını üreten ASML’nin %14.37 ile en büyük hissesinin Intel’e ait olduğunu düşünürsek, bu olasılık da oldukça düşük görünüyor.