TSMC, yeni teknolojileri geciktirmesiyle beraber, Intel ve Samsung’un gerisine düşecek.
- TSMC şu anda en gelişmiş yarı iletken şirketi olarak görülüyor. Bu, Intel’in 3 yıllık 10nm gecikmesi nedeniyle Intel’den devraldığı bir konum.
- Yakın tarihli bir rapor, TSMC’nin 2025’te yalnızca her yönden kapılı (GAA) transistörlere geçeceğini gösteriyor.
- Bu, Samsung’un 2022’de, Intel’in de 2024’te GAAFET’lerini tanıtmasını izleyecek bir gelişme.
- Bu da TSMC’nin önümüzdeki dört yıl içinde birincilikten üçüncülüğe gidebileceği anlamına geliyor.
Pazar payları ve transistör teknolojileri
TSMC şu anda yarı iletken teknolojisinde lider olarak görülüyor. Ne var ki bu durum, temelinde TSMC’nin yaptıklarıyla elde ettiği bir liderlik değil. TSMC, bu statüyü Intel’den devraldı. Zira Moore Yasası, nm değerleri arasındaki geçişi ortalama 2 yıl olarak ön görmüşken, Intel’de bu süreç tam 5 sene sürmüştü. TSMC ise, mevcut pazarın ihtiyaçlarını karşılamaktan başka bir şey yapmadı.
Bunun da ötesinde, geçtiğimiz 2020 yılının başlarında yayınlanan çeşitli makalelerde, TSMC’nin kendisinin de hızlı hareket edemediğine ve özellikle Moore Yasası eğrisinin gerisinde kalmaya başladığına dikkat çekilmişti. TSMC, 2.5 yıllık bir aralıkla 5 nm’den 3 nm’ye geçiş yaparken, transistör yoğunluğunu 2 yıllık aralıklara sahip Moore Yasası’na göre çok daha az artırıyordu. Örneğin, SRAM yoğunluğu yalnızca 1.2 katı oranında artmakta ki bu Intel’in transistör yoğunluğu kazançlarına göre oldukça düşük ve yetersiz.
FinFET’den GAAFET’e geçiş
Son zamanlarda, 2 nm (N2) ile ilgili ilk raporlar görülmeye başlandı. Beklendiği gibi bu TSMC’nin, Intel tarafından ilk kez 2012 yılında tanıttığı ve TSMC’nin de 2015 yılında kullanmaya başladığı FinFET transistör teknolojisinden, her yönden kapılı transistör (GAAFET) teknolojisine geçişini simgeliyor. Burada TSMC’nin planı, tekrardan 2 sene aralıkla mimari değişimine geri dönmek ve on yıllık kullanım sonrası FinFET’i 2025’te bırakmak.
Sorun da tam olarak bu noktada ortaya çıkıyor. Zira TSMC’nin yeni transistör mimarisine geçiş planları, ana rakipleri olan Samsung ve Intel‘e göre oldukça geç kalmış durumda. Öyle ki, şirket birinci sırada olduğu yarı iletken üretim pazarında üçüncü sıraya gerileyebilir.
Transistör terminolojisi
GAAFET (Gate All Around Field Effect Transistor) terimi, dört tarafı kapılarla çevrili transistörler için genel bir terim olarak kullanılıyor. FinFET transistör üç tarafı çevrelerken düzlemsel transistör ise yalnızca bir tarafı çevreliyor.
Samsung çoğunlukla MBCFET (çok kanallı köprü) veya nanosheet terimini kullanıyor. Samsung bunu, adından da anlaşılacağı gibi, geometri açısından kağıt yaprağından çok bir tel gibi olan bir nanowire‘dan ayırıyor.
Çoğunlukla Intel tarafından kullanılan son isim ise nanoribbon. Intel’in araştırmasından elde edilen resimlere bakıldığında bu bir nano sayfaya benziyor, ancak belki de ikisinin arasında bir yerde.
Ek olarak transistör boyutlarına verilen isimler var. Samsung ve Intel, klasik olanı takip edip mimarilerini xnm olarak isimlendirirken, TSMC N terimini kullanıyor. (Örn: Intel 14nm ya da TSMC N5)
TSMC: N5, N3 ve N2
TSMC, teknolojiyi yakından takip edenlerin bildiği üzere 2020’nin ikinci yarısında N7’ye kıyasla iki yıllık bir aradan sonra N5 üretim aşamasına geçti. Bununla birlikte ilk bulgular, iki yıllık aranın Moore Yasası ile aynı olmasına rağmen, küçülmenin aynı olmadığını göstermişti. Özellikle Apple, A14 yongası ile birlikte milimetre kare başına 133 milyon transistör (133 MT) değerinde bir yoğunluğa ulaştı. Bu da önceki yonga A13’teki 90MT’lik orana kıyasla, sadece %49’luk bir artış anlamına geliyor.
Transistör yoğunluğundaki sorunlar
TSMC’nin N5 için iddia ettiği 1.8 oranını göz önünde bulundurursak, N7’deki yoğunluğun yaklaşık olarak 170 MT olması gerekirdi. Ancak gerçekler bundan daha düşük sonuçlandı ve 130 MT ile sınırlı kaldı. Apple cephesinde, beklenenden daha düşük olan bu artışın en büyük nedeni, yongaların alan olarak büyük bir kısmını oluşturan SRAM bölgesindeki artışın, sadece 1.3 oranında sınırlı kalmasıydı.
Yazının başlarında da belirttiğimiz gibi TSMC’nin N3 üretim süreci, şirketin son FinFET yongaları olarak 2023’ün ilk yarısında, 2.5 yıllık bir ara sonrası kullanıma sunulacak. TSMC’nin açıklamaları, N5’ten N3’e geçildiğinde transistör yoğunluğunda 2 kata varan farkların görüleceğini söylese de, yapılan analizler tablonun çok daha farklı olduğunu gösteriyor. Logic birimi, yani çekirdeklerin transistör yoğunluğu sadece 1.7 oranında artarken, SRAM bölümündeki yoğunluk yalnızca 1.2 oranında artıyor. Analog bölümünde ise herhangi bir artış söz konusu bile değil. Sayılar hem açıklamalardan uzak, hem de SRAM gibi kritik bölümlerdeki yoğunluk artışları, önceki nesillere ve özellikle de rakiplere göre yetersiz.
Intel’in yaklaşık 5 sene önce yaptığı analiz, SRAM ve analog bölümlerinin Apple’ın yongalarının %40 ila %50’sini oluşturduğunu bizlere göstermişti. Bu nedenle 2.5 yıllık bir ritme rağmen, yonganın genelinde %50’den de küçük bir yoğunluk artışı görülmekte.
N2 üretim safhasındaki olası gecikmeler
TSMC için asıl büyük endişeler N3’te değil, N2’de ortaya çıkıyor. TSMC bu yongalarda GAAFET veya MBCFET üretim teknolojisine geçmeyi planlıyor. Şirket 2023’ün ikinci yarısından itibaren ise N2 yongaların deneysel üretimine başlamayı planlamakta. Bu, N3’e kıyasla iki yıllık bir ara anlamına geliyor.
Deneysel üretimin süresi kaba taslak yaklaşık olarak 12 ay. Büyük hacimli üretim de göz önüne alındığında, ürün tanıtımlarında N2 kaynaklı gecikmelerin olması çok muhtemel. Ortalama bir süre verilmesi gerekirse, 6 ay. Örneğin, N5 deneysel üretimi 2019’un birinci çeyreğinde başladı ve ardından iPhone 12 ise 18 ay sonra piyasaya çıktı. Bu durum TSMC’nin N2 yongasının 2025’in ilk yarısında pazara gireceği anlamına geliyor.
Intel: 7 nm ve 5 nm
Intel, 10nm üretim teknolojisine sahip bazı yongaları 2020’nin ikinci yarısından itibaren piyasaya sürmeye başladı. Intel’in iddialarına göre, FinFET üretim felsefesini takip eden 10nm SuperFin yongalar, önceki üretim teknolojisine göre güç tüketimi ve performansta oldukça büyük iyileştirmeler vadediyor. Ancak transistör yoğunluğu konusunda TSMC’ye benzer, hatta biraz daha iyimser bir tablo söz konusu.
Intel, Temmuz 2020’de 7 nm yongalara geçişi 6 aydan 12 aya kadar ertelediğini duyurmuştu. Bu da nm değerindeki ve dolayısıyla kullanılabilecek hacimdeki artışın, 2022’den 2023’e ertelendiği anlamına geliyordu. Şirket, 7 nm üretim sürecinin teknik özellikleri henüz bilinmese de, daha önce 2.0 veya 2.4 oranında yoğunluk artışı olacağından bahsetmişti. 200 ila 240 MT arasında olacak bu değerlerin, kendisi gibi FinFET olan N5’ten daha yoğun olduğunu söyleyebiliriz.
5 nm ve GAAFET’e geçiş
Haziran ayında Intel’in CTO’su, şirketin önümüzdeki beş yıl içinde GAAFET üretim teknolojisine geçiş yapacağını doğrulamıştı. Bu sözü yerine getirebilecek tek yonga, ancak Intel’in 5 nm üretim sürecine göre üreteceği yongalar olabilir. Görünüşe göre bu durum, Intel’in en kötü ihtimalle 2025’te TSMC ile aynı GAAFET üretim sürecine sahip, 5 nm yongalarını tanıtacağı anlamına geliyor. Intel ayrıca 5 nm’nin 2 katı oranda yoğunluk artışı sağlayacağını da söylemişti.
Ancak Intel’in günümüzdeki yol haritası, 2025’de planladıklarına oranla daha agresif. Intel 2019’da (7 nm süreci gecikmeden önce) 2 yıllık bir tempo düzeyine geri dönmeyi amaçladığını duyurmuştu. Hatta şirketin, 2029 yılına kadar yayınladığı bir yol haritası da bunu doğrulamıştı. Bu durum, 7 nm’nin pazara 2021’in 4. çeyreğinde girmesi gerektiği düşünüldüğünde 5 nm’nin 2023’ün 4. çeyreğinde çıkabileceğini gösteriyor.
5 nm’nin şu anda 6 ila 12 ay arasında ertelenebileceğini varsayarsak (7 nm’de çıkan sorunların, 5 nm geliştirme süreci üzerinde hiçbir etkisi olmamasına rağmen), bu yine de 5nm’nin 2024’te çıkması için umutların olduğu anlamına geliyor –TSMC’den neredeyse 1 sene önce.
Bazıları Intel’in yol haritasına sadık kalmayacağını söyleyebilir. Ancak bu makalede, aksi söylenmedikçe her üreticinin yol haritasına eşit oranda yaklaşıyoruz.
Intel vs TSMC
Intel’in 10 nm üretim sürecinde standartlaştırılmış transistör yoğunluğu 100 MT. A14’ün Intel’in 10 nm işleminde (ve bunun sonucunda ortaya çıkan gerçek dünya yoğunluğunda) ne kadar büyük olacağı açıkça bilinemese de, geçmişte Apple’ın yongaları (SoC – System on Chip) genellikle bu standartlaştırılmış yoğunluk ölçüsünü oldukça iyi takip etti. Bu, A14’ün görünüşte düşük olan 134 MT’sini özellikle dikkate değer kılıyor.
Dolayısıyla A14’ün, Intel’in 10 nm işlem sürecinde 100 MT’lik bir yoğunluk elde edeceğini varsayarsak, bu bilimsel olarak TSMC’nin Intel’den yalnızca 1.35’lik bir oranda önde olabileceğini gösteriyor. Bu, iddia edilen 2 katı yoğunluk sıçraması şöyle dursun, yarı oranında bir sıçramaya bile denk gelmiyor.
Intel ve TSMC’nin eşit şartlarda karşılaştırılması
Intel aslında çoğu kişinin tahmin ettiği ya da eleştirdiği kadar geride olmayabilir. Tersine, TSMC de tahmin edildiği kadar önde olmayabilir. Intel, tüm bunların ötesinde SuperFin teknolojisi (ve Lakefield ile kazandırılan 3D yığınlama) ile vurguladığı transistör (ve paketleme) teknolojisindeki diğer alanlarda gelişim göstererek, yoğunluktan yoksun olduğu alanları telafi edebilir.
Benzer şekilde, TSMC eğer N3 üretim sürecinde %50 yoğunluk artışını yakalamayı başarırsa, teorik 300 MT değerinin aksine yalnızca 200 MT’lik bir değer yakalamış olur. Bu da Intel’in 5nm’sinden daha çok 7nm üretim sürecine yakın bir değer demek.
Bu iddiayı doğrulamak için, hem Intel hem de TSMC’den kalıp boyutları ve transistör sayıları hakkında daha fazla veriye ihtiyaç duyulmakta. Ancak Intel, 2014 yılından itibaren transistör sayılarını yayınlamayı durdurdu. Zira şirket, çiplerinin Logic hücreleri, I/O (giriş ve çıkış) ve SRAM alanlarının kapladığı alanlar açısından çok farklı bir bileşime sahip olduğundan, Apple’ın transistör sayımlarıyla yapılan herhangi bir karşılaştırmanın yanıltıcı olduğunu savunuyor. Başka bir deyişle Intel’in tüm işlemcileri, standartlaştırılmış yoğunluğa göre belirgin şekilde daha düşük yonga yoğunluğuna sahip.
Samsung
Intel ve TSMC’nin ötesine baktığımızda, Samsung şu anda 5 nm sürecini hızlandırıyor. Şirket, bu yıl basına ve yatırımcılara çeşitli iddiaların aksine 5nm üretim sürecinde verim sorunu yaşamadığını kanıtlamak için ciddi çaba sarf etti.
Samsung’un 5nm yongaları, baştan aşağı bir tasarıma sahip değil. Aksine, 7nm platformunun doğrudan bir türevi. Bu nedenle yoğunluk artışı, TSMC’nin N5 yongalarından bile daha az olacak ve Intel’in 10 nm yongalarından çok da yüksek olamayacak.
Samsung’un 3 nm MBCFET üretim süreci
Samsung’un 3 nm yongaları, şirket için asıl büyük adımı atmış olacak ve şirketin uzun zaman önce duyurduğu gibi, sektörde bir ilk olan MBCFET’in de ilk örnekleri olacak. Ancak yongalar, 2021 sonunda planlanan üretimin 2022’ye kaydırılmasıyla beraber ertelenmiş gibi görünüyor. Samsung ayrıca 0.65 ila 0.55 oranında yoğunluk artışı olduğunu iddia ediyor. Bu da onu TSMC’nin N3’ü ile değil, N5’i ile rakip yapıyor.
Yine de tartışıldığı gibi, TSMC’nin N3’ü beklenenden daha düşük bir yoğunlukla gelecek. Bu nedenle Samsung’un yoğunlukta yaşadığı eksiklik, Intel’den farklı olarak teknoloji ve pazarlama süresinden kaynaklanıyor olabilir.
Bu bağlamda, Samsung’un erken GAAFET üretimi yongaları, Intel’in 22 nm’deki FinFET’ine benzeyecek. Samsung bir yoğunluk avantajına sahip olmasa da, pazara bu teknolojiyi sunarken üç yıla kadar TSMC’nin önünde ve Intel’den iki yıla kadar önde olmuş olacak. Samsung, 2019’da TSMC’ye yetişmek için, bu on yılda 100 Milyar Doların üzerinde yatırım yapmayı planladığını duyurmuştu.
Sonuç
Şu anda pazar lideri olarak görülen TSMC, 2024 veya daha erken bir tarihte yarı iletken teknolojilerindeki ve üretimindeki liderliğini kaybedecek gibi görünüyor.
Sektörün geri kalanından birkaç yıl önce Intel tarafından 2012’de piyasaya sürülen FinFET transistörlere bağlı üretim sürecinin (işlerin ne kadar hızlı değişebileceğinin bir örneği olarak) sonuna gelindi. Bu teknolojinin GAAFET ile değiştirilmesi gerekiyor. Bu geçiş, FinFET’e geçişteki kadar sert olmasa da, yine de büyük ve riskli olacak. Bunun yanında FinFET gibi yarı iletken teknolojilerinde ve yonga tasarımında yeni bir çağın başlangıcına işaret edecek.
Bu durum, FinFET’e geçiş sırasında gruptan kopmuş üreticilerin yetişme fırsatına sahip olduğu anlamına geliyor. Gerçekten de mevcut veriler, TSMC’nin bu geçişi yapan son üretici olacağını gösteriyor; Intel’in bir yıl ve Samsung’un üç yıl gerisinde olacak.
Örneğin, SRAM yoğunluğundaki artışın yavaşlaması, 3D mantık istiflemenin (3D logic stacking) getirilmesi ve diğer bilinmeyen etmenler göz önüne alındığında, GAAFET’lerin tanıtımı, ileriye dönük teknolojilerde liderliğin göstergesi olabilir. Sonuç olarak teknoloji değişiyor ve artık farklı üreticilerin işlemcileri o kadar özelleşiyor ki üretim teknolojisi, transistör yoğunluğundan daha önemli hale geliyor.
Samsung geçmişte Apple, Nvidia ve Qualcomm için yonga üreticisi olarak hizmet vermişti. Dolayısıyla, Samsung’un farklılaştırılmış GAAFET yol haritası, gerçek yonga üretimi pazar payı etkilerine sahip olabilirken, Intel ise süreç liderliğini yeniden kazanmak için 10 nm ve 7 nm gecikmelerinin yaralarını sarmaya devam edecek.
