MAKALELER / Mikroçip Üretimi-Bilgi





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




Makalenin İzlenme Sayısı : 220

Eklenme Tarihi : 21.12.2021

Önceki sayfaya geri dön.