Yarı İletken Üretimde ‘nm’ Ne Anlam Taşıyor?

Teknolojinin kalbinde, çabucak her aygıtta rastladığımız lakin birden fazla vakit varlığını bile hissetmediğimiz çipler yer alıyor. Akıllı telefonlar, dizüstü bilgisayarlar, televizyonlar, arabalar ve hatta kolay mesken aletleri… Bunların her birinde irili ufaklı yarı iletken modüller, yani çipler var. Dahası, uçaklardan savunma sanayine, medikal aygıtlardan yapay zeka sistemlerine kadar çok geniş bir yelpazede de kritik rolleri bulunuyor. Pekala, çiplerin üretimi nasıl gerçekleşiyor ve “nm” üzere tabirler ne manaya geliyor?

Bu yazıda, yarı iletken üretim teknolojisinin temel prensiplerine, “nm” ibaresinin aslında neyi söz ettiğine ve çip üretimindeki gelişmeleri şekillendiren Moore Yasası’na değineceğiz. Ayrıyeten Intel, TSMC ve Samsung üzere devlerin nm yarışında nasıl konumlandıklarından da kısaca bahsedeceğiz.

Yarı İletken Üretim Teknolojisi Nedir?

Yarı iletken üretim teknolojisi, en temel manasıyla elektronik devreleri minyatür ölçülerde üretme süreci demek. Bu süreçte yarı iletken materyal (genellikle silikon) üzerine milyarlarca transistör yerleştirilir ve bu transistörler elektronik sinyalleri işlemekten tutun da bilgi depolamaya kadar pek çok misyonu üstlenir.

Kısaca hatırlatalım:

• Transistör: Akımın denetim edilmesini sağlayan, elektriği açıp kapatabilen, güçlendirip zayıflatabilen temel elektronik bileşendir.
• Entegre devre (IC): Birden fazla transistörün tek bir çip üzerinde bir ortaya gelmiş halidir. İşlemciler, GPU’lar ve çeşitli denetleyici çipler bu kategoride yer alır.

Yarı iletken üretimi yıllar içinde giderek daha karmaşık ve hassas bir yapıya büründü. Gelişen teknolojiler sayesinde, transistörlerin fizikî boyutu her yeni jenerasyonda daha da küçülerek ünite alana yerleştirilebilen transistör sayısının artması sağlandı. Bu da tıpkı hacimde daha fazla süreç gücü ve daha yüksek verimlilik manasına geliyor.

‘nm’ Nedir? Çiplerde ‘nm’ Ne Mana Taşıyor?

Donanım dünyasıyla ilgili haberleri yahut teknik özellik tablolarını takip eden birden fazla kişi, “7nm”, “5nm” üzere ibarelerle kesinlikle karşılaşmıştır. Pekala, bu “nm” (nanometre) sözü tam olarak neyi gösteriyor?

Geçmişteki Manası: Fizikî Boyut

Eskiden bu sayı, üreticilerin transistördeki kapı uzunluğu yahut gibisi kritik boyutları tabir etmek için kullandığı bir ölçüt idi. Örneğin, “45nm” tabiri, çip üzerindeki transistörlerin kapı uzunluğunun yaklaşık 45 nanometre boyutunda olduğunu söylüyordu.

Günümüzdeki Durum

Günümüzde işler biraz değişti. Zira farklı dökümhaneler (ör. TSMC, Samsung, Intel) farklı metrikler kullanıyor. Kimi vakit Intel’in “10nm” süreci, TSMC’nin “7nm” tekniğiyle muadil performans ve yoğunluk sunabiliyor. Ya da TSMC’nin “5nm”si

Samsung’un “5nm”sine birebir uymayabiliyor.

Dolayısıyla “nm” ibaresi, artık direkt bir fizikî uzunluk yerine ‘nesiller ortası gelişmişlik seviyesini’ göstermek için kullanılan bir pazarlama ve sınıflandırma terimi haline geldi. Yeniden de şimdiki süreçte şu genel kural geçerli: Sayı küçüldükçe transistörler ve ortalarındaki boşluklar daha da daralıyor, bu da daha yüksek yoğunluk, daha fazla performans ve daha âlâ güç verimliliği vaat ediyor.

Neden Küçültüyoruz? Minyatürleştirmenin Önemi

• Transistör boyutları küçüldükçe, bir çipin içine sığdırılan transistör sayısı artar. Bunun iki ana sonucu vardır:
• Daha Yüksek Performans: Daha fazla transistör, daha fazla süreç kapasitesi manasına gelir. Örneğin bir işlemcinin içinde ne kadar çok transistör varsa, o işlemci karmaşık süreçleri o kadar süratli gerçekleştirebilir.
• Daha Düşük Güç Tüketimi: Transistörlerin küçülmesi, akımın kat ettiği uzaklıkların kısalması ve münasebetiyle daha az güç harcanması demektir. Bu durum bilhassa taşınabilir aygıtlar için kritik ehemmiyete sahiptir.

Elbette ki küçültmenin de hudutları vardır. Üretim maliyetleri artar ve fizikî hudutlara yaklaşmak, yeni gereçler ve tasarım teknikleri gerektirir.

İşlem Teknolojilerinin (Process Node) Tarihi Gelişimi

Yarı iletken üretiminde “düğümler” yahut “işlem teknolojisi” (process node) kavramı, makul bir jenerasyonun üretim kurallarını söz eder. Örneğin, 28nm, 14nm ve 7nm formunda ilerleyen her yeni düğüm, transistör yoğunluğunu artırırken birebir alanda daha fazla transistör yerleştirilmesine imkan tanır.

• 90nm ve 65nm üzere süreçler, 2000’li yılların başlarında masaüstü işlemcilere girdi.
• 45nm ve 32nm süreçleri, güç verimliliği ve performans manasında çiplere kıymetli atılımlar kazandırdı.
• 14/16nm süreci, transistörlerin kapı dizaynlarında kullanılan FinFET mimarisini ana akım haline getirdi. Bu periyot, bilhassa Intel ve TSMC tarafında çok kıymetliydi.
• 7nm ve 5nm ise akıllı telefonlardan masaüstü işlemcilere kadar geniş bir yelpazede artık standart haline gelmiş durumda.

Bu süreçlerin gerisinde, TSMC, Intel ve Samsung üzere birkaç büyük dökümhane var. AMD, NVIDIA, Apple üzere şirketler kendi çiplerini tasarlasalar da çoklukla bu dökümhanelerde ürettirirler.

Intel ve Nanometre Karmaşası

Uzun müddet Intel, “14nm” sürecini farklı revizyonlarla (14nm++, 14nm+++) geliştirdi. Rakipleriyse 7nm’ye süratle geçiş yaptı. Bu da son kullanıcının gözünde “Intel geride kalıyor” algısı oluşturdu. Meğer Intel’in 10nm süreci, TSMC’nin 7nm düğümüne performans ve yoğunluk bakımından epeyce yakındı.

Bu üzere nedenlerle Intel, 2021’de nanometre kavramını direkt isimlendirmede kullanmaktan kademeli olarak vazgeçti ve “Intel 7”, “Intel 4” üzere yeni bir terminolojiye geçti.

TSMC ve Samsung

TSMC ekseriyetle 7nm, 5nm üzere isimlendirmeleri kullansa da, 5nm’nin altında “N4”, “N3” üzere varyantlar ekleyerek yeniden kendine mahsus bir yol izliyor. Samsung tarafında da 7nm, 5nm üzere ibareler görsek de, her yeni jenerasyonda farklı tasarım ve yoğunluk ölçütleri devreye girebiliyor.

Sonuç olarak, farklı üreticilerin “nm” kıymetlerini birebir karşılaştırmak birden fazla vakit aldatıcı olabiliyor.

Moore Yasası Nedir ve Çip Üretimine Nasıl İstikamet Verir?

Yarı iletken dalının yıllardır izlediği ana rehber, Intel’in kurucularından Gordon E. Moore’un 1965’te ortaya attığı “Moore Yasası” oldu. Özetle, Moore Yasası bir çip üzerindeki transistör sayısının her iki yılda bir (veya Moore’un birinci öngörüsünde her yıl) katlanarak artacağını söyler.

Bu yasa, uzun yıllar yarı iletken üreticilerine yol gösterdi. Her yeni jenerasyon çipte transistör yoğunluğu arttı ve bu sayede performans yükselirken fiyatların düşmesi sağlandı.

Günümüzde fizikî hudutlara yaklaştıkça bu üstel artışı sağlamak zorlaşıyor. Tekrar de, yaratıcılık ve Ar-Ge yatırımları sayesinde transistör sayısı artmaya, minyatürleştirme de sürat kesmeden devam ediyor.

Moore Yasası yalnızca tek başına bir fizik kuralı değil, tıpkı vakitte endüstriyel bir maksat olarak da görülüyor. Çünkü büyük yarı iletken şirketleri, her iki yılda bir yeni bir üretim süreci duyurmak ve performansı katlamak ismine yarış halinde.

Transistör Boyutu Her Şey mi?

Çip performansını belirleyen faktörler ortasında mimari tasarım, bellek teknolojileri, saat suratları, üretim verimliliği, paketleme teknolojileri ve yazılım optimizasyonu da yer alır. “Daha düşük nm” çoklukla daha âlâ performans ve daha âlâ güç verimliliği sunsa da, bir işlemcinin yahut GPU’nun genel başarımını yalnızca üretim sürecine indirgemek hakikat olmaz.

Her şeye karşın, üretim teknolojisi çip tasarımcılarına değerli avantajlar sağlar. Daha küçük boyutlu transistörler, daha az güçle daha süratli çalışır; bu da çağdaş işlemcilerin ve GPU’ların kompakt form faktörlere sığacak kadar küçülmesine imkan tanır.

Hangi Eserlerde Ne Tıp Çipler Kullanılıyor?

• Yüksek performanslı işlemciler, GPU’lar ve yapay zeka hızlandırıcıları: Ekseriyetle en aktüel süreç düğümleri (7nm, 5nm, hatta 3nm) tercih edilir.
• Mobil aygıtlar (akıllı telefon, tablet): 5nm ve 4nm üzere gelişmiş süreçlerle üretilen SoC’ler (System on a Chip) yaygın. Güç verimliliği ve performans bu alanda kritik.
• Daha kolay mikrokontrolcüler (MCU): Beyaz eşyalar, küçük mesken aletleri yahut IoT aygıtları ekseriyetle daha eski, daha büyük nm bedellerine sahip süreçlerle üretilir (40nm, 65nm, vb.). Zira maliyet burada öne çıkar ve bu aygıtlar çok yüksek süreç gücüne gereksinim duymaz.

Gelecekte Bizleri Ne Bekliyor?

• 3nm ve altı: TSMC ve Samsung öncülüğünde geliştiriliyor. Intel de yeni terminolojisiyle bu yarışta yerini alıyor.
• Farklı gereçler ve yeni dizaynlar: Silikonun yerini kısmen alabilecek, daha gelişmiş yarı iletken gereçler üzerinde araştırmalar sürüyor.
• Çok katmanlı dizaynlar (3D stacking): Çiplerin dikey istikametli istiflenmesiyle daha yüksek yoğunluk ve performans elde edilebiliyor. Bu da Moore Yasası’nın ilerlemesine yeni bir boyut katıyor.

Yarı iletken üretim teknolojisi, çağdaş dünyanın altyapısını oluşturan elektronik aygıtların kalbidir. “Nanometre” kavramı, çiplerin üretim sürecindeki jenerasyon farkını ve bu kuşağın getirdiği performans artışını kabaca söz eder. Fakat farklı dökümhanelerin kendine mahsus usulleri ve ölçüm standartları nedeniyle, “nm” bedellerini direkt kıyaslamak aldatıcı olabilir.

Buna karşın, minyatürleştirme yarı iletken dünyasının temel hareket noktasıdır ve her yeni süreç düğümü, bilgisayarlarımızı ve taşınabilir cihazlarımızı daha yetenekli, daha verimli hale getirir. Bu ivmenin gerisinde ise Moore Yasası’nın rehberliğiyle durmaksızın yatırım yapan teknoloji devleri, çip dizayncıları ve dökümhaneler vardır.

Yeni kuşak üretim teknolojileri ve materyaller devreye girdikçe, “nm” terimi yerini tahminen apayrı bir sınıflandırmaya bırakacak. Lakin kullanıcılar için en değerli çıktılar hiç değişmeyecek: Daha süratli, daha küçük ve daha az güç tüketen aygıtlar. Gelecek, yarı iletken dünyasında hala büyük sürprizlere hamile.

Kaynak: İndir