Yarı İletken Üretim Teknolojisi Nedir? Çiplerde ‘nm’ Ne Anlam Taşıyor?

Gündelik hayatımızda kullandığımız bilgisayarlar, telefonlar, saatler, küçük ev aletleri ve otomobiller de dahil olmak üzere sayısız üründe irili ufaklı birçok çip yer alıyor. Bunun yanı sıra uçaklar, savunma sanayi ve medikal cihazlar dahil olmak üzere çok sayıda alanda kritik rol oynuyor. Hayatın her noktasında kendine yer bulan, gün geçtikçe de önemi hızla artan çiplerin üretimi oldukça meşakkatli bir iş. Sürekli olarak gelişen yarı iletken üretim teknolojilerine kulağınız biraz aşinadır. En azından bir ürün alırken 10nm, 7nm ve 3nm gibi terimler görürsünüz. Nedir bunlar?

Özellikle işlemci, ekran kartı, dizüstü bilgisayar, tablet ve akıllı telefon gibi ürünler alırken yarı iletken teknolojilerinin isimleriyle daha çok karşılaşıyoruz. Birçok teknik özellik gibi, “process node” olarak bilinen işlem teknolojileri de çoğu kişinin anlamadığı bir terim Aslında son tüketici olarak çok fazla önemsemeniz gereken bir şey değil, ancak söz konusu teknoloji ve çipler söz konusu olduğunda önemli bir faktör. Hatta doğrudan çip üretiminin kendisiyle ilgili.

Bizler de yazılarımız ve videolarımızda sık sık üretim teknolojileri hakkında konuşuyoruz. 7nm ve 5nm gibi şeylerin ismi sık sık geçse de, teknik olarak ne anlama geldiğini atlıyoruz. Şimdi dilimiz döndüğünce süreç teknolojileri ve çipler hakkındaki detaylara ışık tutmaya çalışacağız.

65nm, 32nm, 10nm, 5nm… Yıllar değiştikçe dökümhane teknolojileri de değişiyor. Intel ve AMD üretimi işlemciler, Apple ve Samsung akıllı telefonların içinde yer alan SoC‘ler ve NVIDIA GPU’lar dahil olmak üzere tüm yongalar bu süreçlerle üretiliyor. TSMC, Intel ve Samsung, çip üretimi yapan en büyük dökümhaneler. AMD ve NVIDIA gibi şirketler aslında “çip üreticisi” olarak anılıyor lakin kendilerine ait dökümhaneleri, üretim tesisleri yok. Onlar çipleri tasarlıyor, TSMC gibi devlere üretim yaptırıyor.

İşlem teknolojileri genellikle bir sayı ve ardından gelen nanometre kısaltmasıyla isimlendirilir: 22nm, 14nm ve 7nm gibi. Son yıllarda ise bu gelenek değişmeye başladı. CPU’nun herhangi bir özelliği ile teknolojinin adı arasında sabit, nesnel bir ilişki yok. Bu her zaman böyle değildi. Yaklaşık 1960’lardan 1990’ların sonuna kadar teknolojiler, kapı uzunluklarına göre adlandırıldı. IEEE’den alınan bu tablo ilişkiyi gösteriyor:

2017’den beri yarı iletken üretim teknolojilerinin isimlendirme şekli de değişmeye başladı. Peki bunun nedeni ne? Transistörlerin boyutu, yoğunluğu ve performansı artık dökümhaneler arasında eşleşmiyor. Örneğin Intel’in 10nm’si diğer dökümhanelerin 7nm’si ile karşılaştırılabilirken, 7nm süreçleri diğer şirketlerin 5nm teknolojileriyle karşılaştırılabilir seviyede.

İsimlendirmeler Değişiyor

Intel, 2021 yılında nanometre isimlendirmesine son vermişti.  AMD 7nm TSMC üretimine geçiş yapmışken, Intel 14 nm+++ ile devam ediyordu. Bu yüzden işlemci pazarında alıcı kitlesinde şöyle bir algı oluşmaya başladı: “AMD 7nm iken, Intel halen 14 nm kaldı, hatta 10 nm işlemciyi bu kadar zamanda anca üretebildi”.

Oysa bunun herhangi bir gerçekliği yoktu, Intel’in bir sonraki nesilde geçmeyi planladığı 10 nm üretim teknolojisi zaten TSMC’nin 7nm teknolojisine yakındı. Bu nedenle Intel gitgide pazar payı kaybetmeye devam etti, forum dedikodularında uzun uzun nanometre tartışmaları aldı başını gitti. İşte bu yüzden Intel, yarı iletken süreçleri için TSMC üretimi ile eşleşecek şekilde kullandığı üretim terminolojisini güncelliyor.

Intel 10nm ve TSMC/Samsung 7nm Teknolojileri Eşdeğer mi?

İnternet ortamında böyle bir tartışma yaşanıyor ve bunun bir nedeni var. Intel’in 10nm süreci için üretim parametreleri, TSMC ve Samsung’un 7nm süreci olarak adlandırdıkları süreç için kullandıkları değerlere çok yakın. WikiChip’ten alınan aşağıdaki tablo, Intel 10nm tekniği için bilinen özellik boyutlarını TSMC ve Samsung’un 7nm teknolojileriyle karşılaştırıyor. Sonuç olarak, hepsi birbirine çok benzer:

Delta 14nm / delta 10nm sütunu, her şirketin belirli bir özelliği bir önceki düğüme göre ne kadar küçülttüğünü göstermekte. Intel ve Samsung, TSMC’ye kıyasla daha sıkı bir minimum metal aralığına sahip. Ancak TSMC’nin yüksek yoğunluklu SRAM hücreleri Intel’inkilerden daha küçük, bu da muhtemelen Tayvanlı dökümhanedeki farklı müşterilerin ihtiyaçlarını yansıtmakta.

Diğer yandan Samsung’un hücreleri TSMC’ninkilerden bile daha küçük. Ancak genel olarak Intel’in 10nm süreci, hem TSMC hem de Samsung’un 7nm olarak adlandırdığı süreçle aynı temel ölçütlere sahip.

Intel 7nm sürecinin TSMC ve Samsung tarafından benimsenecek 5nm/3nm süreçleriyle nasıl karşılaştırılacağını henüz bilmiyoruz. Intel, 5nm’ye kadar genel süreç liderliğini yeniden kazanmak istediğini belirtti. Bu fabrikasyon teknolojisi en iyi ihtimalle 2024 sonu-2025 başlarında piyasaya sürülecek.

İngilizce kaynaklarda “process node”, “process technology”, “technology node” ve yalnızca “node” gibi terimler görebilirsiniz. Hepsi aynı kapıya çıkıyor. “Node” kelimesi “düğüm” anlamına geliyor. Biz bunu “devre düğümü” olarak kullanabiliriz. Bildiğiniz üzere çiplerde yer alan transistörler birbirine nanometreler ölçeğinde, aşırı derecede yakın. Birbirleriyle ardı sıra geldikleri için bu yapıyı “düğüm” olarak tanımlayabiliriz. Ancak biz genelde süreç teknolojisi, üretim teknolojisi ve fabrikasyon teknolojisi gibi daha açık terimler kullanmayı tercih ediyoruz.

Process node, belirli bir yarı iletken üretim sürecini ve bu sürecin tasarım kurallarını ifade etmekte. Çip üretimindeki node’lar ara bağlantı aralığı, transistör yoğunluğu, transistör tipi ve diğer yeni teknolojiler gibi üretim hattının entegre bir devre üzerinde oluşturabileceği özellikleri gösteriyor.

5nm ve 7nm şeklinde isimlendirilen üretim teknikleri, dökümhane olarak da ifade ettiğimiz üretim tesislerinde gerçekleşen “çip üretim” süreçleriyle ilgili. Neredeyse tüm çipler silikon kullanılarak üretilse de, dökümhanelerin kullanabileceği farklı üretim süreçleri mevcut. Bu nedenle “süreç” kelimesini kullanıyoruz. Özetle, silikon çipler üretilirken transistör bileşenlerinin boyutuyla ölçüm yapılıyor ve bu boyutlarla birlikte “özel” üretim yöntemleri ortaya çıkıyor.

• Silikon Piyangosu Nedir? İşlemciler Neden Birbirinden Farklı?

İşlemciler milyarlarla ifade edilen çok sayıda transistörden oluşur ve bir işlemcinin içinde ne kadar çok transistör varsa o kadar iyidir. Öyleyse sınırsız şekilde transistör yerleştirerek çok fazla performans elde edebiliriz? Maalesef teknoloji dünyasında hedefler bu doğrultuda ilerlemiyor. Entegre devrelerin tasarımı ve ilerlemesindeki anlayış “minyatürleştirme” diyebiliriz. Yıllardır dökümhane işinde olan devler, dur durak bilmeden transistör aralığını küçültmeye devam ediyor. Süreç teknolojileri, sonsuz olarak “daha küçük hale getirme” hedefiyle geliştiriliyor.

Şayet süreç teknolojilerini küçültmeden çok sayıda transistör yerleştirilseydi, devasa boyutlara ulaşan kocaman işlemciler kullanıyor olurduk. Böylelikle ısı üretimi de çok artardı, küçük teknolojik cihazlar kullanamazdık. Teknoloji şirketleri, yoğunluğu artırmak için transistörler arasındaki boşluğu azaltarak bir çipe daha fazla transistör yerleştirmek için çabalıyor. Daha yeni ve daha iyi süreçler icat edildikçe transistör yoğunluğu artıyor, verimlilik yükseliyor, alan küçülüyor ve büyük çiplere gerek kalmadan performans elde edebiliyoruz.

Farklı süreçler veya düğümler, tarihsel olarak mikrometre ve nanometre cinsinden ölçülen bir uzunlukla birbirinden ayrılıyor. Bahsettiğimiz gibi, yoğunluk ne kadar yüksekse ve sayı ne kadar düşükse o kadar iyi. Eskiden “nm” ibaresinden önce gelen sayı, üreticilerin yeni bir süreç oluştururken küçültmek istedikleri bir transistörün fiziksel boyutlarını ifade etmek için kullanılırdı. Ancak 28nm’den sonra bu rakamın pek bir önemi kalmadı. Elbette halen önemli lakin eskisi gibi değil.

En büyük dökümhanelerin başında gelen TSMC’nin 5nm (N5) tekniği aslında tam olarak “5nm” değil. TSMC, sadece 7nm’den daha iyi olduğunu ve 3nm kadar iyi olmadığını bilmenizi istiyor. Aynı nedenle, bu rakam modern süreçleri karşılaştırmak için kullanılamaz; TSMC’nin 5nm süreci Samsung’un 5nm’sinden tamamen farklı. Intel ise zaten tamamen farklı bir isimlendirme belirlemek zorunda kaldı. Bir diğer örnek de TSMC’nin 4nm (N4) teknolojisi. Aslında N4, 5nm (N5) ailesinin bir parçası olarak kabul ediliyor. Daha anlaşılır hale getirecek olursak, geliştirilmiş 5nm olarak ifade edebiliriz.

Yeni süreçler sadece yoğunluğu artırmakla kalmıyor, aynı zamanda saat hızını ve verimliliği de artırıyor. Örneğin TSCM’nin 5nm tekniği (Ryzen 7000 ve RX 7000 serilerinde gördüğünüz), eski 7nm sürecine kıyasla aynı güçte %15 daha yüksek saat hızı veya aynı saat hızında %30 daha düşük güç sağlayabiliyor. Üreticiler, ihtiyaçlarına göre ikisinin bir kombinasyonunu kullanarak iyileştirmeler de yapabilir.

Şimdi kısaca transistörleri açıklayalım, sonrasında konumuza devam edelim.

Transistör Nedir?

Burada bir parantez açarak transistörlere değinelim. Transistör, akım veya voltaj akışını düzenleyen veya kontrol eden, ayrıca bu elektrik sinyallerini güçlendiren, üreten ve onlar için bir anahtar/geçit görevi gören minyatür bir yarı iletkendir. Tipik olarak transistörler, her biri bir akım taşıyabilen yarı iletken malzemeden yapılmış üç katmandan veya terminalden oluşur.

Bir amplifikatör olarak çalışırken, transistör küçük bir giriş akımını daha büyük bir çıkış akımına dönüştürür. Bir anahtar olarak, elektrik devresi veya elektronik cihaz aracılığıyla elektronik sinyallerin akışını kontrol etmek için iki farklı durumdan birinde (açık veya kapalı) olabilir.

Çok sayıda transistör, milyonlarca transistörün tek bir entegre devreye yerleştirildiği mikroişlemciler oluşturmak için kullanılır. Ayrıca MP3 çalarlar, akıllı telefonlar, kameralar, bellek yongaları ve depolama cihazları için de kullanılmakta. Transistörler, her elektronik cihazın parçası olan tüm entegre devrelerin içine derinlemesine yerleştirilmiştir. Bir çipin içinde milyarlarda transistör yer alabilir.

• Yonga Gruplandırma Nedir? Chip Binning Neden Yapılır?

Özetle, silikon çipler üretilirken transistör bileşenlerinin boyutuyla ölçüm yapılıyor ve bu boyutlarla birlikte “özel” üretim yöntemleri ortaya çıkıyor. Entegre devrelerin tasarımı ve ilerlemesindeki en önemli etken “minyatürleştirmedir” diyebiliriz. Yıllardır dökümhane işinde olan devler, dur durak bilmeden transistör aralığını küçültmeye devam ediyor. Süreç teknolojileri, sonsuz olarak “daha küçük hale getirme” hedefiyle geliştiriliyor.

Transistörler küçüldükçe elektrik sinyalleri bu transistörler arasında daha hızlı geçiş yapmakta. Böylelikle enerji tüketimi düşerken, performans da orantılı olarak artış gösterir. “Daha dar alanlara daha fazla transistör yerleştirilmesi”, “inç kare başına daha fazla bilgi işlem gücü ” demek.

Şimdi devam edelim. Süreç ölçeklendirmenin arkasındaki itici güç Moore Yasası’dır diyebiliriz. Çip üretim teknolojilerinin hedefini belirleyen bu yasaya göre yoğunluğun iki katına çıkarılması için, temas eden poli adımın (CPP) ve minimum metal aralığının (MMP) her düğümde kabaca 0,7 kat ölçeklendirilmesi gerekir. Başka bir deyişle, 0,7x CPP ⋅ 0,7x MMP ≈ ½ alan ölçeklendirmesi. Moore Yasası’na birazdan daha detaylı değineceğiz.

Güncel teknolojiler, yani başka bir deyişle küçük boyuttaki transistörler gelişmiş CPU ve SoC’lerde bulunuyor. Ancak 8 bit ve 16 bit mikro kontrolcüler (MCU’lar) her yıl milyarlarca kişi tarafından kullanılıyor farklı tür cihazlarda kullanılmakta. Bahsettiğimiz gibi, bazı cihazlarda oldukça basit yapıda birçok çip bulunabilir. Hatta bazı çiplerin maliyeti 0.5 dolara kadar düşebiliyor. Böyle yongalar çok daha az transistöre ihtiyaç duyuyor.

Bir yarı iletken devrenin performansını etkileyen birçok faktör var. Nanometre cinsinden ifade edilen bu transistör özellikleri de bir çipin güçlü olup olmadığını gösteren faktörlerden bir tanesi. Önemli mi? Evet, ancak her şey buna bağlı değil.

Yeni bir süreç, tasarım veya mimaride büyük değişiklikler yapmadan çip boyutlarını küçültebilir, saat hızlarını artırabilir ve çipi daha verimli hale getirebilir. Bunların hepsi çok önemli hususlar. Diğer taraftan paketleme teknolojileri, yazılım taraflı optimizasyonlar ve yapay zeka gibi farklı etkenler de var.

Ek olarak, bir çipin yeterliliğini yalnızca sürecine göre tahmin etmek mümkün değil. Biraz önce de sözünü ettiğimiz gibi, örneğin Intel’in 10nm tekniği TSMC’nin 7nm’si kadar iyi. Dahası, bir entegre devrede önemli olan tek şey dökümhane teknolojileri değil.

Uzun sözün kısası, bir çipin işlem düğümü tek başına hiçbir şey ifade etmez. Bir benzetme yapacak olursak, yalnızca çekirdek sayısına bakarak CPU alınmaz. Aynı şekilde üretim teknolojileri ve üretimi yapan şirket tek başına bir şey ifade etmiyor.

5nm, 7nm ve 10nm gibi öncü üretim teknolojilerini kullanan şirketlerin sayısı bir hayli az: TSMC Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Samsung ve Intel. Bu üçlü ayrıca yeni ve eski tüm süreçlerde üretim yapmakta. 14/16nm süreçlerine geçtiğimizde listeye UMC, SMIC ve GF (GlobalFoundries) gibi isimler ekleniyor.

20/22nm çip üretimini GlobalFoundries, Samsung, TSMC ve Intel yapıyor. Daha büyük transistörlere doğru gittiğimizde şirketlerin sayısı artıyor. Örneğin 28/32nm fabrikasyon teknolojisi ile ilerleyen şirketler arasında Panasonic, STM, HLMC, IBM, UMC ve SMIC gibi isimler yer alıyor.

40/45nm, 65nm ve 90nm şeklinde gittiğimizde ise üretim yapan şirketlerin sayısı giderek artıyor. 180nm’ye geldiğimizde ise üretim yapan şirketin sayısı 30’a kadar çıkıyor. Tarihsel olarak gelişmelere kısaca göz atacak olursak:

• 1997 yılında 250nm tekniği kullanıldı.
• 180nm teknolojileri, 1999 Intel, Texas Instruments, IBM ve TSMC gibi şirketler tarafından kullanıldı.
• Sadece 2 yıl sonra Intel, Texas Instruments, IBM ve TSMC 130nm süreçlerini tanıttı.
• 90nm tekniği 2004 yılında AMD, Infineon, Texas Instruments, IBM ve TSMC tarafından tanıtıldı.
• 2006 yılında Intel, AMD, IBM, UMC, Chartered ve TSMC gibi isimler 65nm teknolojilerine geçiş yaptı.
• Matsushita, Intel, AMD, IBM, Infineon, Samsung, SMIC ve Chartered Semiconductor, 45nm’ye adım attı.
• İlk 14nm ölçekli çipler 2014 yılında Intel tarafından tüketicilere gönderildi.
• Samsung, ilk olarak 2017’de 10nm çipleri piyasaya sürdü.
• TSMC, 2017 yılında 7nm teknolojilerini duyurdu, üretim 2018 yılında başladı.

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.