Mikroçip Üretimi-Bilgi:
1— Mikroçip üretmek hayli karmaşık bir iş, öyle ki
insanlığın geliştirdiği en karmaşık ürünlerden biri olarak görülen mikro
çipleri üretebilen ülkelerin sayısı parmakla sayılacak kadar az.
1.1-- Bugün cebimizde taşıdığımız akıllı telefonlar, Ay'a
insan taşıyan Apollo uzay araçlarında kullanılan bilgisayara göre 100.000 kat
güçlü işlemci ve bir milyon kat büyük belleğe sahip. Elbette bu kadar küçük
boyutlarda bu denli yüksek işlem kapasitesi, çok karmaşık ve ileri düzey çip
üretim teknolojileri anlamına geliyor.
2--Yarı iletken fabrikalarını
açmak ve işletmek için milyarlarca lira yatırım, uzun bir süreç ve (belki de en
önemlisi) ileri düzey bilgi birikimi gerekiyor.
3—Ayda 50.0 levha üretecek giriş seviyesi bir fabrika
açmanın maliyeti 15 milyar dolar! Üstelik bu alanda hızla gelişen teknoloji ve
derin bilgi birikimi ihtiyacı yeni oyuncuların handikapı.
4--Fabrikayı açıp işletmeye
almak da yeterli olmuyor çünkü teknoloji sürekli geliştiğinden, piyasada
rekabetçi olmak adına ciddi bir AR-GE bütçesi ayırmak gerekiyor. Bir başka
deyişle, açtığınız fabrika yaklaşık beş yıl içerisinde teknolojik olarak geri
kalıyor ve yeni yatırımlara ihtiyaç duyuyor.
5--Diğer yandan, insan
kaynağı açısından da güncel gelişmeleri takip eden yetişmiş uzmanlar bulmak
kolay değil. Fizik, kimya ve elektronik gibi disiplinler arası bir alanda uzman
bir kişinin yetişmesi yirmi yılı bulabiliyor.
6--Pekin Üniversitesinin
yaptığı bir araştırmaya göre, sadece Çin’de bile bu alanda yüz binlerce uzman
eksiği bulunuyor. Çip üreticilerinin %80’i yetişmiş insan kaynağı bulmakta
zorlandığını söylüyor.
6.1--Böyle sine rekabetçi ve
ağır şartlarda ayakta kalabilmeyi başaran fazla üretici bulunmuyor. Mevcut
fabrikalar da yedi gün yirmi dört saat çalışıyor.
Sonuç olarak yüksek rekabet,
7—Çip krizi:
7.1-- Pandemi öncesindeki
ticaret savaşlarına kadar uzanıyor. Özellikle ABD ve Çin arasında yaşanan ek
vergilendirme, ithalat ve ihracat yasakları birçok teknoloji firmasının stok
yapmasına neden oldu.
7.2--COVID-19 salgının
başlamasıyla birlikte dünyada yaşam büyük ölçüde değişmeye başladı. Yaşanan
değişiklikler birçok firmanın kısa ve orta vadeli planlarını yeniden gözden
geçirmesine neden oldu. İnsanlar eve kapandı, Çin gibi devasa üretim
merkezlerinde üretime ara verildi.
7.3--Hava yolları ve limanların
kapanması gibi nedenlerle kargo hizmetleri zayıfladı. Firmalar sürecin
oluşturacağı ekonomik durgunluğu hesaba katarak özellikle gıda dışında kalan
sanayi ürünlerinde siparişleri azalttı. Sonuç olarak fabrikalar geçici olarak
üretimi durdurdu.
7.4--Ancak pandemiyle
birlikte insanların özellikle evde kullandıkları bilgisayar, oyun konsolu,
kamera ve mikrofon gibi elektronik ürünlere talebi arttı. Toplu taşıma
kullanmaktan çekinenler otomobillere yöneldi. Tüm bu dalgalanma, tedarik zincirinde
ciddi bir şok etkisi oluşturdu.
7.5--Pandeminin yanı sıra
çeşitli doğa olayları da üretimi etkiledi. Geçtiğimiz aylarda Tayvan’da yaşanan
kuraklık, üretim için büyük miktarda su ihtiyacı duyan mikroçip fabrikalarını
etkiledi.
7.6--Teksas’taki kar
fırtınası nedeniyle üretimi durdurmak zorunda kalan Samsung mikroçip
fabrikasının tam kapasiteye dönmesi aylar aldı. ]apon Renesas çip
fabrikasındaki yangının neden olduğu sorunlar hâlâ çözülebilmiş değil.
8--Bugün için dünyada
üretilen akıllı telefon işlemcilerinin büyük çoğunluğu TSMC firması, bilgisayar
işlemcilerinin %80’i Intel, bellek çiplerinin çoğunluğu ise Samsung tarafından
üretiliyor. Bununla birlikte, çip üretimi söz konusu olduğunda çeşitli siyasi
ve çevresel kısıtlamalar da devreye giriyor.
8.1--Örneğin HollandalI
ASML’nin Çin’e litografi makinesi ihracının ABD tarafından engellenmesi Çin’in
yeni fabrikalar kurmasını zorlaştırıyor. Mikroçip fabrikalarının aşırı miktarda
su tüketmesi de yaygınlaşmasının önündeki bir
8.2--Başka bir engel mikroçip
fabrikalarının su ihtiyacı.Ortalama bir çip fabrikası günde 20.0 ton su tüketiyor. Bu rakam 58.000
kişilik bir şehrin günlük su tüketimine denk. Bu nedenle bir çip fabrikasının
bu tür kaynaklarda sorun yaşamayacak yerlerde kurulması veya pahalı su arıtma
sistemlerine sahip olması gerekiyor.
8.3--Tüm bunlar da ek maliyet
anlamına geliyor. Elbette talebin olduğu yerde arz da olacaktır ve özellikle
devlet desteğiyle sektöre yeni oyuncular da girecektir ancak bunların ciddi bir
üretim kapasitesine ulaşması yıllar alacaktır.
8.4--Bilgi birikimi ve
teknoloji gibi konularda sorunu olmayan, dünyanın en büyük çip üreticilerinden
TSMC firmasının bile Japonya’da kuracağı fabrikanın üretime başlaması 2024
sonunu bulacak.
9—Mikroçip Üretimi:
9.1--Tozsuz temiz odalar,
pahalı makineler, metal döküm tesisleri ve lazerler içeren devasa fabrikalarda
silikon bir levhanın milyarlarca transistörden oluşan bir mikroçipe dönüşmesi
dört ayı bulabiliyor.
9.2--Çip teknolojisinde her
şey kumdan elde edilen ve oksijenden sonra dünyanın en bol bulunan elementi
olan silikonla başlıyor. Silikon doğal bir yarı iletkendir, yani bazı
durumlarda elektriği iletir, bazı durumlarda ise iletmez. Bor ve fosfor gibi
elementler yardımıyla elektrik iletkenliğinin kontrol edilebilmesi, onu
transistor yapımı için ideal bir malzeme hâline getiriyor.
9.3--Transistörler “VE”,
“VEYA” ve “DEĞİL” mantık operatörleri için anahtar görevi görüyor. Fabrikada
eritilen kum %99,9999 saflıkta silikondan oluşan silindir külçelere
dönüştürülüyor. Bu silindirden “wafer” (bir çeşit levha) adı verilen çok ince
daire levhalar kesiliyor.
9.4--Mikroçiplerde kullanılan
en küçük bileşenlerin virüslerden bile daha küçük olduğu dikkate alındığında bu
çiplerin üretildiği ortamların ne kadar temiz olması gerektiği daha iyi
anlaşılacaktır. Öyle ki bir ameliyat odasından bile bin kat daha temiz olan bu alanlarda
1 m3’te en fazla 10 toz zerreciğine izin veriliyor. Bu temizliği sağlamak için
odadaki hava sürekli süzülüyor, odaya girmeden ve odadan çıkmadan önce özel
cihazlarla temizlenmek gerekiyor.
9.5--Temiz odada, yalıtkan
bir malzemeyle kaplanan levhaların üzerinde, “photoresist” adında ışığa duyarlı
bir madde bulunur. Bu madde, üzerine ışık geldiğinde sertleşir.
9.5.1--Daha önce bilgisayar
ortamında tasarlanan entegre devrenin şekli cama kazınır ve kazman alandan
geçen ışık levhaya yansıtılır. Işığın geldiği alanlar sertleşirken diğer
alanlar özel gazlar kullanılarak temizlenir. Entegre devre, bu yöntemle silikon
yüzeye kazınır.
9.6--Modern mikro çipler
birbiriyle bağlantılı yaklaşık yüz katmandan oluşuyor. Bu katmanlar öyle ince
ki bazıları -onlara “iki boyutlu” denilmesine yol açacak şekilde- sadece 1 atom
kalınlığında. Böyle bir hassasiyette üretim yapabilmek
9.7--Intel’in 1971’de
ürettiği ilk ticari mikroçipi olan Intel 4004, her biri 10 mikron
kalınlığındaki 2.300 çipten oluşuyordu. Bugün çip teknolojisinde ölçü birimi
olarak bir metrenin milyonda biri anlamına gelen mikron yerine, metrenin
milyarda biri anlamına gelen nanometre birimini kullanıyoruz.
9.8--Günümüzde üretilen
çipler 5 nanometre boyunda; bir başka ifadeyle, bir saç telinden 20.000 kat
daha küçük.
9.9--Çip tasarımı yapan
yüzlerce firma mevcutken bu tasarımları ürüne dönüştüren üretici firmaların sayısı
sınırlı.
10--Bir elektronik devre;
direnç, transistor, meksefe, endüktör ve diyot gibi devre elemanlarının bir
kart üzerine yerleştirilerek iletken tellerle birbirine bağlanmasıyla oluşur.
10.1-- Mikroçiplerse entegre
devre olarak tasarlanır; yani dâhilindeki elektronik devre elemanları bir
panelin üzerine tek tek yerleştirilmez, bunun yerine silikon gibi yarı iletken
bir malzeme kullanılarak düz bir panel üzerinde üretilen transistörlerden
oluşur. Bu sayede
11--Milyarlarca bileşenden
oluşan bir mikroçip tasarlamak ve üretmek hayli maliyetli bir iş.
10—Mikroçip Tasarlama:
10.1--Mikroçip Devre Tasarlama Programları:
1--Çeşitli yapbozlarla devre
tasarlamayı öğrendiğiniz bir oyun.
https://bit.ly/3Heax4x
2--NAND Oyunu
Görevleri tamamlayarak devre tasarımını
öğrendiğiniz bir oyun.
https://nandgame.com
3--Logic 1/Vorld
Üç boyutlu devre tasarlayıp
simülasyonlar yapabildiğiniz bir oyun.
https://bit. ly/3kttLJQ
4--Silicon Zeroes
Çeşitli devre elemanlarıyla
başlayarak işlemci tasarladığınız bir oyun
https://bit.ly/3HaMcwq
5--Shenzhen 1/0
Hem devre oluşturduğunuz hem
de bu devreleri çalıştırabileceğiniz kodlar yazdığınız bir oyun.
https://bit. ly/3wFrz6
10.2--Çip tasarımı için özel
araçlar ve programlama dilleri kullanılıyor. Öncelikle tasarlamak istediğiniz
çipi bir “donanım tanımlama dili” (hardware description language: HDL)
kullanarak tasarlamanız gerekiyor.
10.3--Verilog bunun için en
yaygın kullanılan HDL dili. Bu dili kullanarak oluşturduğunuz donanım, sentez
adı verilen bir işlemle “netlist” hâline getiriliyor. Netlist devre
elemanlarının birbiriyle olan bağlantısını gösteren bir tür harita olarak
tanımlanabilir. Bu işlem için “yosys” gibi açık kaynak araçlardan
faydalanabileceğiniz gibi daha profesyonel yazılımlar da kullanabilirsiniz.
10.4--Oluşturduğunuz netlist
için yine özel yazılımlar kullanarak “place and route” adı verilen yerleşim
işlemini tamamlamanız gerekiyor. Bu aşamada bileşenler en uygun şekilde
yerleştiriliyor ve birbiriyle bağlantıları kuruluyor. Bütün aşamalarda
ayrıntılı testler yapılarak işlemlerin doğruluğu teyit ediliyor.
10.5--Sonrasındaysa
tamamlanan tasarım üretim için fabrikaya aktarılıyor.
Bilgisayar işlemcilerinin
(central Processing unit: CPU) tasanmmda çok farklı mimariler kullanmak mümkün.
10.6--Her firma kendine özgü
bir işlemci tasarlayabilir. Ancak bu işlemcilerin kullanılabilmesi için
bunlarla uyumlu yazılımlar da geliştirilmelidir. Tasarlanan her bir farklı çip
türü için tekrar tekrar yazılım oluşturulması kullanışlı ve uygulanabilir
olmayacağı için bazı çip tasarım standartlan mevcuttur.
10.7--Komut kümesi mimarisi
(instruction set architecture - ISA) adı verilen bu standartlar, yazılımcıların
çiplerin tasarım şekilleri üzerine kafa yormadan yazılım geliştirmesini mümkün kılar.
10.8--Çip tasarımında en
yaygın kullanılan komut kümesi mimarileri x86, x64 ve ARM’dir. x86 Intel
tarafından geliştirilmiş ve lisanslanmış olup en fazla 32bit işlemcileri
destekleyen bir mimaridir.
10.9--Ayrıca, sadece firmanın
izin verdiği AMD ve VIA firmaları tarafından bu mimariye uygun çipler
üretilebilir. AMD’nin 1999’da geliştirdiği 64bit destekli x64 adındaki mimari
hızla yaygınlık kazandı.
10.10--Masaüstü ve dizüstü
bilgisayarlarda kullanılan Windows ve Linux gibi işletim sistemleri her iki
mimariyi de destekliyor.
10.11--İngiliz ARM firması
tarafından geliştirilen ARM ise daha esnek bir lisanslama modeliyle çok daha
fazla üretici tarafından kullanılıyor. ARM mimarisi düşük enerji tüketimine
yönelik yapısı sayesinde taşınabilir cihazlarda tercih ediliyor. Apple tarafından
geliştirilen Mİ işlemci serisi de ARM tabanlı.
10.12--Litografi adı verilen
baskı sırasında silikon tabakalar üzerine ışıkla işleme yapılıyor. Ancak bu
işlemler çok küçük ölçekte yapıldığı için bir tür morötesi ışık kullanmak
gerekiyor.
10.12.1--Uzayda doğal olarak
ortaya çıkan bu ışığın dünyada üretilmesi için dökme kalay üzerine saniyede
50.000 defa lazer ışını gönderiliyor. Bu ışınlarla buharlaşan metal, ihtiyaç
duyulan morötesi ışığı yayıyor. Yayılan ışık çok hassas aynalar yardımıyla
odaklanarak üzerinde devrenin çizili olduğu cam parçası üzerinden silikon levha
üzerine yansıtılıyor.
10.12.2--Bu sırada çipteki
bileşenlerin iletişimi için alüminyum yollar da oluşturuluyor. Litografi
işleminin aynı çip üzerinde yüzlerce defa tekrarlanmasıyla oldukça karmaşık bir
yapısı olan entegre devre ortaya çıkarılıyor. Bu süreçte kullanılan ve ASML
tarafından üretilen aşırı morötesi litografi makinesinin (extreme ultraviolet
lithography) geliştirilmesi onlarca yıl aldı.
10.12.3-- Litografi işlemiyle üretilen bir levha üzerinde
onlarca çip bulunuyor. Her bir çip ayrıntılı testlerden geçirildikten sonra
kesilerek paketleniyor.
10.12.4--Litografi işlemiyle
üretilen bir levha üzerinde onlarca çip bulunuyor. Her bir çip ayrıntılı
testlerden geçirildikten sonra kesilerek paketleniyor. makinenin satış fiyatı 150 milyon dolar.
11—Uluslararası Mikroçip Üreten Firmalar:
11.1—ASML-Ürettiği litografi
makineleriyle dünya çapında tekel oluşturan ve şu an için rakibi bulunmayan
HollandalI firma tabiri caizse siparişlere yetişemiyor.
11.2—OBROADCOM-ABD merkezli
firma özellikle ABD merkezli firma özellikle şifreleme ve kablosuz iletişime yönelik
mikroçipler geliştiriyor.
11.3—Nvidia-Özellikle ekran
kartlarında dünyanın en iyileri arasında olan ABD merkezli firma, süper
bilgisayarlar ve yapay zekâ çipleri de geliştiriyor.
11.4—Qualcomm-ABD merkezli
firmanın çipleri diğerlerine kıyasla çok daha geniş bir yelpazede
kullanılabiliyor. Otomobillerden saatlere kadar birçok üründe kullanılabilecek
çipler tasarlayan firmanın özellikle 5G alanında önemli çalışmaları var.
11.5—Micron-Disk, bellek ve
hafıza kartı gibi ürünlerde uzmanlaşan ABD’li firmanın 18 ülkede 40.000
çalışanı bulunuyor.
11.6-- Applied Materials--ABD’nin en eski mikroçip
firmalarından olan Applied Materials yalnızca çip üretmekle kalmıyor, aynı
zamanda diğer çip üreticilerine parça sağlıyor.
11.7—Intel-46 ülkeden 110.000
çalışanıyla ABD’nin en büyük çip üreticisi konumunda olan Intel, çiplerin büyük
çoğunluğunu ABD’de kendisi
üretiyor. Geçtiğimiz günlerde
20 milyar dolarlık fabrika yatırımı yapacağını açıklayan firma, yeni çip
tasarımlarıyla 2025’te sektörün lideri olmayı hedefliyor
11.8—TSMC-Dünyada üretilen
çiplerin yarısını tek başına üretim bantlarından çıkarıp satışa sunan TSMC
Tayvan’ı bu alandaki en başarılı ülkelerden biri yapıyor. Özellikle aşırı
ultraviyole litografi teknolojisinde rakiplerinden çok daha önde olan bu firma,
bu sayede 5 ve 7 nanometre mikroçip üretimi yapabilirken Intel ancak 10
nanometre çip üretebiliyor. Yılda 10 milyon levha üretim kapasitesi olan TSMC,
100 milyar dolarlık bir yatırım bütçesiyle üretim kapasitesini daha da
artırmayı hedefliyor.
11.9—Samsung-Tüketici
elektroniğinden pillere pek çok sektörde yer alan Güney Koreli firma dünyanın
sayılı çip üreticileri arasında yer alıyor. Özellikle hafıza çiplerinin üretimi
konusunda ön sıralarda yer alıyor.
11.10—SMIC-Çin’in en büyük
çip üreticisi olan SMIC, şu an için 14 nanometre mikroçip üretimi yapabiliyor
olsa da Çin hükümetinin desteğiyle bu alana çok ciddi yatırımlar yapıyor.
Önümüzdeki yıllarda lider oyuncular arasında yer alması muhtemel
11.11--SK Hynix İne-Güney
Kore’nin önde gelen mikroçip üreticilerinden olan SK, özellikle bellek
çiplerinin üretimine odaklanmış bir firma.
Kumdan mikroçipe uzanan
üretim sürecini anlatan bir videoyu izlemek için https:// youtu.be/bor0qLifjz4
adresini ziyaret edebilir.
Kaynak:Bilim ve Teknik
Dergisi-Tübitak