Günümüzde 4K film keyfinden, yüksek grafikli oyunlara, karmaşık tasarımlardan video işlemeye, yüksek performanslı hesaplamalardan yapay zeka uygulamalarına kadar her alanda, gelişmiş çip teknolojileri hayati bir rol oynuyor. Bu yoğun işlem gücü gerektiren uygulamaların taleplerini karşılamak adına, yongalara sürekli olarak daha fazla sayıda transistör entegre edilmesi gerekiyor. Bu gereklilik, transistörlerin nanometre ölçeğinde sürekli olarak küçülmesini ve gelişmesini zorunlu kılıyor. Ancak, teknoloji dünyası artık nanometre çağından “angstrom” çağına doğru önemli bir geçiş yaşamaya hazırlanıyor. Peki, angstrom nedir ve bu terim ne anlama geliyor?
Intel, Samsung Foundry ve TSMC gibi büyük dökümhaneler, 2 nanometre çip üretim teknolojileri üzerinde yoğun bir şekilde çalışıyorlar. 2nm sınıfı yongaları ilk üreten şirket Intel oldu ve bu başarıyı 18A teknolojisiyle elde etti. Bu isimlendirme, alışılmadık gibi görünse de, aslında bir paradigma değişimine işaret ediyor. Her nanometrenin 10 angstroma eşit olduğu düşünüldüğünde, “18A” tanımı yaklaşık olarak 18 angstromluk (1.8 nm) bir süreci ifade ediyor. Bu durum, en azından pazarlama açısından, atom ölçeğinde tasarımın başlangıcını simgeliyor.
Angstrom, aslında bir ölçü birimidir. Çip teknolojilerinde gelinen bu yeni seviyeler nedeniyle “angstrom çağı başladı” gibi ifadeler sıklıkla duyulmaya başlandı. Basitçe ifade etmek gerekirse, bir angstrom (Å) 0.1 nanometreye eşittir. Şu an için 18 angstrom, yani 1.8nm seviyesine ulaşmış durumdayız. Hâlihazırda 3 nanometre ölçeğinde çipler yaygın olarak kullanılırken, transistör boyutlarını daha da küçültmek giderek daha zorlu bir hale geliyor. Bu nedenle, yonga teknolojilerinin ve buna bağlı olarak teknoloji dünyasının geleceği büyük bir merak konusu.
Angstrom yongalar, ölçeği günümüz teknolojilerine kıyasla 10 kata kadar azaltarak daha hızlı, daha küçük ve daha enerji verimli elektronik cihazların geliştirilmesinin önünü açmayı hedefliyor. Bu hedeflere ulaşmak için araştırmacılar, geleneksel silikon bazlı yarı iletkenlerin ötesine geçmek zorundalar. İşte tam bu noktada grafen ve geçiş metali dikalkojenitler (TMD’ler) gibi 2D materyaller devreye giriyor. Son derece ince yapıda olan bu materyaller, yeni nesil yüksek performanslı ve enerji verimli çiplerin üretiminde kullanılabilecek potansiyele sahip.
Geleneksel silikonun fiziksel minyatürleştirme sınırlarına ulaşılması, yarı iletken mühendisliğinde yeni bir dönemin başlangıcını işaret ediyor. Tek bir silikon atomunun boyutu yaklaşık 210 pikometre, yani 0.21 nanometre veya 2.1 angstromdur. 7nm seviyesine ulaşmak için yaklaşık 33 atomun yan yana gelmesi gerekiyor. Transistörlerin veya kapıların üç boyutlu yapıda olması, birkaç atom kalınlığında ve yaklaşık 7 x 7 nm boyutlarında olmaları anlamına geliyor.
Angstrom süreci, 2021 yılında Intel tarafından tanıtıldı ve şirket, bu yeni çağın öncüsü olarak bir süreç yol haritası belirledi. Nano ve dijital teknolojiler için bağımsız bir araştırma merkezi olan imec ise, sektörü 2036 yılına kadar 2 angstroma ulaştıracak bir çip ölçeklendirme yol haritası hazırladı. Angstrom ölçeğinde tasarımların vaatlerini gerçekleştirmek, yarı iletken ekosisteminde iş birliği ve yaratıcılık gerektirecek. Litografideki yeniliklerden, gate-all-around (GAA) ve complementary FET (CFET) gibi yeni transistör yapılarına ve çoklu kalıp sistemlerine kadar birçok yeni teknik ve teknoloji zaten ortaya çıkmaya başladı.
Araştırmacılara göre “1nm’nin altına inmek” teorik olarak mümkün. Ancak sonuçları görmeden kesin bir şey söylemek zor. Boyutları küçültmek son derece zorlu bir süreç ve kuantum etkileri şimdiden devreye giriyor. Örneğin, 5nm’den 3nm’ye geçmek için gereken süre iki katına çıkarken, maliyetler de aynı oranda arttı. Özellikler küçüldükçe bu durum daha da kötüleşecek gibi görünüyor.
Eğer hedefler beklendiği gibi gerçekleşmezse, her ihtimale karşı alternatif bir plan da mevcut. Potansiyel çözümlerden biri, 3D NAND yongalarda, yani flaş belleklerde olduğu gibi çipleri üç boyutlu hale getirmek olabilir.
Moore Yasası’na göre, yonga tasarımcıları yongalarının yoğunluğunu yaklaşık iki yılda bir ikiye katlamalıdır. İlk olarak 1965’te formüle edilen bu yasa, bir entegre devre üzerindeki transistör sayısının her yıl ikiye katlanacağını öngörüyordu. Bu yasa, yarı iletken endüstrisini sürekli olarak ileriye taşımak için bir rehber görevi gördü. 1975’te Moore, transistörlerin her iki yılda bir ikiye katlanacağını öngörerek bu yasayı revize etti. Çeşitli tartışmalara ve aksaklıklara rağmen, Moore Yasası büyük ölçüde geçerliliğini korudu.
Süreç teknolojilerindeki giderek küçülen özellikler sayesinde tasarım ekipleri, dünyamızın taleplerini karşılamak için güç, performans ve alan avantajlarından yararlanmaya devam etti. Ancak Moore Yasası’na göre özellik ölçekleme adı verilen ve giderek küçülen özellikler üretme yeteneği yavaşlıyor. Bilim insanları ise bu gidişatı yavaşlatmamak adına sürekli olarak yeni inovasyonlar üzerinde çalışıyor.
Angstrom düzeyinde ölçeklendirme, ileriye dönük bir yol sunuyor. Her ardışık işlem neslinde transistör yoğunluğunun iki katına çıkarılması gibi Moore Yasası’nın hedefleri korunurken, özellik ölçeklemedeki yavaşlamayı telafi etmek için bir dizi yeni teknoloji devreye giriyor. Angstrom düzeyinde ölçeklendirme ile tasarım mühendisleri bir çipe daha fazla transistör sığdırabilir, böylece cihazlar daha düşük güçle daha yüksek performans sağlayabilir. Bu durum, yapay zeka, bilimsel hesaplama ve yüksek performanslı bilgi işlem gibi her alanda yeni olanakların kapılarını aralayacaktır.
2D malzemeler, genellikle sadece bir atom kalınlığında olan ultra ince malzeme katmanlarıdır. En bilinen örnek grafen (bal peteği şeklinde düzenlenmiş karbon atomları) olmakla birlikte, molibden disülfür (MoS2), altıgen bor nitrür (h-BN) gibi birçok başka örnek de bulunmaktadır. Bu malzemeler mükemmel elektriksel, termal ve mekanik özelliklere sahiptir. Ultra ince kalınlıklarda iletkenliği koruyabiliyorlar, ısı kaybını azaltıyorlar ve heterojen çip tasarımına (farklı malzemeleri tek yongada birleştirmek mümkün) imkan sağlıyorlar.
Transistörler, elektronik cihazların temel yapı taşıdır ve elektronik sinyalleri ve elektrik gücünü yükselten veya değiştiren yarı iletkenlerdir. Bilgisayarlar, akıllı telefonlar ve dijital saatler de dahil olmak üzere neredeyse tüm elektronik cihazlarda yer alan en önemli temel bileşenlerdir.
Transistörlerin modern elektronikteki önemi o kadar büyüktür ki, bilim ve mühendislik tarihinin en iyi icatlarından biri olarak kabul edilirler. Teknolojide devrim yaratılırken elektronik cihazların minyatürleştirilmesi sağlandı ve böylece daha küçük, daha hızlı ve enerji verimliliği yüksek ürünler üretmek mümkün hale geldi.
Tüm dijital cihazların kalbi olan entegre devrelerin işlevselliğini sağlayan transistörler sayesinde sayısız cihaz geliştirildi. Radyo ve televizyonlardan bilgisayarlara ve cep telefonlarına kadar, bu küçük parçalar günlük yaşamlarımız üzerinde önemli bir etki yarattı. Ayrıca mikroişlemciler, dijital sinyal işleme ve veri depolamanın geliştirilmesini sağlayarak teknolojinin ilerlemesinde de çok önemli bir rol oynuyorlar.
Bir transistör, kendi başına sadece bir devre elemanıdır. Küçük miktarlardaki transistörler basit elektronik anahtarlar oluşturmak için kullanılır. Devrelerle birbirine bağlanmış ve tek bir silikon mikroçipin içine yerleştirilmiş çok sayıda transistörden oluşan entegre devrelerin (integrated circuit-IC) temel elemanlarıdır.
Milyonlarca ve hatta günümüzde milyarlarca transistörü tek bir entegre devre içine yerleştirmek mümkündür. İşte yüksek teknolojiyle üretilen bu tür çipler çok daha performanslı, çok daha verimlidir. İletkenler sadece işlemcilerde değil, aynı zamanda MP3 çalar, akıllı telefon ve kameralar dahil olmak üzere sayısız üründe yer alan depolama birimlerinde de kullanılıyor. Geçici depolama sunan RAM teknolojilerinde de aynı şekilde yongalar, yani yongaların meydana gelmesi için gereken transistörler yer alıyor.
Intel, 2nm (1.8nm) süreç teknolojilerine sahip çipleri üreten ilk şirket oldu. Çip üretim teknolojileri nanometre düzeyinin altına inmeye gittikçe yaklaşıyor. Core Ultra Series 3 “Panther Lake” işlemciler, Intel’in 18A teknolojisiyle üretilecektir. İsimlendirmenin 18A şeklinde olduğuna bakmayın, şirket bu tekniği yüksek hacimli üretime ulaşan ilk 2nm (aslında 1.8nm) sınıfı süreç olarak lanse ediyor.
Panther Lake bu sebeple oldukça önemli bir mimari. Yeni işlemciler, Intel’in rekabetçi ürünler geliştirme ve bunu en üstün teknolojileri kullanarak şirket içinde üretme yeteneğini göstermesi açısından önemlidir.
TSMC, 2020’de N2 (2nm sınıfı) üretim sürecinin gelişimini ilk kez onayladığında pek fazla ayrıntı açıklamamıştı. Bunun yanında yonga üretiminin ne zaman başlayacağına dair bir öngörüde de bulunulmadı. Dünyanın en önemli yarı iletken üreticileri arasında yer alan TSMC, 2022 yılında teknolojinin tamamen yeni bir transistör yapısına dayandığını doğrulamıştı. Ancak 2nm üretim bandından çıkan çipler 2026’ya kadar piyasada olmayacak.
TSMC CEO’su Wei, N2 işleminin beklendiği gibi çok yönlü (GAA) transistörleri temel alacağını ilk ağızdan bildirmişti. Üretim süreci, 0.33 sayısal açıklığa sahip mevcut aşırı ultraviyole (EUV) litografisine güvenmeye devam edecek.
Teknolojinin 2024’ün sonunda demo üretimine ve 2025’in sonuna doğru yüksek hacimli üretime hazır olması bekleniyor. Bu da TSMC müşterilerinin 2026’da ilk N2 tabanlı çiplerini teslim alabileceğini göstermekte.
Samsung, yarı iletken sektörünün öncülerinden biri olarak, yıllık Samsung Foundry Forum etkinliğinde en son teknolojileriyle ilgili bilgiler sağlamıştı. Yüksek performanslı bilgi işlem (HPC), yapay zeka (AI), 5G/6G teknolojileri ve otomotiv uygulamalarında yaşanan büyümeyle birlikte yarı iletkenlere olan talep hızla arttı ve artmaya devam ediyor. Samsung ise 2027 yılında gelişmiş 1.4nm üretim teknolojisini hayata geçireceğini duyurdu.
Yarı iletken üreticisi, GAA (gate-all-around) tabanlı teknolojileriyle birlikte 3nm süreç teknolojisinde seri üretime başlamıştı. Şirketin amacı, GAA tekniğini geliştirerek 2025 yılında 2nm, 2027 yılında ise 1.4nm nodunda üretim yapmak. HPC ve otomotiv dahil olmak üzere mobil olmayan uygulamaların, 2027 yılına kadar dökümhane portföyünün %50’sini aşması bekleniyor. Diğer yandan Samsung, 2025’e kadar 2nm ve 2027’ye kadar 1.4nm teknolojilerinde seri üretime geçmeyi planlıyor. Ayrıca 2027 yılına kadar gelişmiş teknolojiler için üretim kapasitesinin 3 kattan fazla artırması hedefleniyor.
Applied Materials, 2025 Ocak ayında şirketin “angstrom dönemi” olarak adlandırdığı çip üretimini tanımlayan üç yeni çip üretim aracını tanıtmıştı. Bu araçlar, bazen tek tek atom düzeyinde kontrol edilen yeni nesil işlem teknolojilerine geçişin sinyalini veriyor. Kinex, Xtera ve PROVision 10 adlı son teknoloji sistemler yeni nesil üretim yöntemlerini mümkün kılarken, aynı zamanda günümüzün yarı iletken üretim teknolojilerinin ve paketleme teknolojilerinin performansını ve verimini artırmak üzere tasarlandı.
Applied Materials Yarı İletken Ürünler Grubu Başkanı Dr. Prabu Raja yeni sistemler hakkında şu sözleri söyledi: Çipler daha karmaşık hale geldikçe, Applied yapay zekayı ölçeklendirmek için gereken performans ve güç verimliliği iyileştirmelerini sağlamak üzere malzeme mühendisliğinde çığır açan gelişmelere odaklanıyor. Çip üreticilerinin yol haritalarını hızlandıran ve mantık, bellek ve gelişmiş paketleme alanlarında önemli cihaz dönüşümlerini mümkün kılan çözümleri birlikte geliştirmek için müşterilerimizle daha erken ve daha derin bir işbirliği içindeyiz.
