Bugün Intel, AMD, Nvidia ve TSMC üzere firmaların ismini sıklıkla duyuyoruz. Her yıl yeni donanımlar ve yeni bileşenler çıkıyor ve evvelki kuşağa nazaran güçlü ilerlemeler kaydediliyor. Pekala bu nasıl oluyor? Teknoloji firmaları hala Moore Yasası’nı nasıl ayakta tutabiliyor? Ya da sahiden onlar mı ayakta tutuyor? Aslına bakarsanız durum hiç de o denli değil. Çok uzunca bir müddettir teknoloji dünyasının ilerleyişi büyük oranda tek bir firmaya bağlı. Bu firma, o denli makineler üretiyor ki alanında rakibi yok. Tüm üreticiler, bu gerçek üreticinin kapısında kuyrukta bekliyor. İlgili olanlar bu firmayı aslında biliyordur, lakin bugün biraz daha derine inelim. Bu ortada evet, hususumuz Advanced Semiconductor Materials Lithography yahut bilindik ismiyle; ASML. ASML
Hollanda’nın güneyinde, Belçika hududuna yakın Veldhoven kasabasında, dünyanın en büyük çip üreticilerinin güvendiği ihtilal niteliğindeki bir makineyi monte edebilen dünyadaki yegane fabrika bulunuyor. Bu yarı iletken sanayisi devinin ve fabrikasının tek bir işi var: Daima daha küçük düşünmek. Ya da tahminen daha büyük.
Hollanda’nın en büyük kıymeti ASML, telefon ve dizüstü bilgisayarlardan otomobillere ve yapay zekaya kadar her şeyde kullanılan bilgisayar çiplerindeki mikroskobik devreleri oluşturan odaklanmış ışık demetlerini üretme arayışında 200 tondan fazla yüke sahip çift katlı otobüsler büyüklüğünde makineler inşa ediyor. Şimdilerde bu firma, kapısında kuyruk oluşturmuş firmalar için tanesi 400 milyon dolar olan litografi makineleri hazırlıyor.
Litografi, bir çip üzerindeki devrenin ne kadar küçülebileceğinin temel etkenlerinden birisiyken bahsedeceğimiz High-NA teknolojisi %66’lık bir küçülme vaat ediyor. Çip üretiminde daha küçük daha düzgündür, zira birebir alana ne kadar çok transistör yerleştirirseniz, bir çip o kadar süratli ve güç açısından daha verimli olabilir.
Devreler artık atomik düzeye yaklaşıyor ve bu da 1960’larda bir mikroçip üzerindeki transistör sayısının her iki yılda bir iki katına çıktığına dair ünlü bir müşahede olan “Moore Yasası“nın sonunun yaklaştığına işaret ediyor. ASML ise bunu ayakta tutmaya kararlı. Çabucak yukarda ismini geçirdiğimiz “High-NA” için biraz daha sabretmeniz gerek, çünkü ondan evvel değinmemiz gereken birkaç mevzu daha var.
Silikon üzerinde birinci ışık
2000 yılından bu yana ASML, şu anda yüklü olarak eski teknolojiye odaklanan Japon rakipleri Nikon ve Canon‘dan inanılmaz bir süratte pazar hissesi kaptı. Şu anda ASML, litografi pazarının %90’ından fazlasını denetim ediyor. Hiçbir rakip, yüksek geliştirme maliyetlerini münasebet göstererek bir EUV sistemi kurmaya çalışmıyor. Bu ortada bilmeyenler için; EUV, ASML’nin mikroçipler üzerine küçük, karmaşık dizaynlar basmak için büyük ölçülerde ürettiği inanılmaz derecede kısa bir ışık dalga uzunluğu olan çok ultraviyole manasına geliyor. EUV ışığı, çok süratlerde gerçekleşen küçük erimiş kalay patlamalarıyla yaratılıyor ve akabinde ASML’nin dünyadaki en pürüzsüz yüzey olduğunu söylediği eşsiz Zeiss aynalarından sekiyor.EUV ışık parçacıklarının küçük bir yüzdesi ise nihayetinde her bir çipin ne yapacağını belirleyen küçük dizaynları yazdırdıkları bir silikon yonga plakasının yüzeyine erişiyor. Basitçe durum şu: Çok güçlü, hassas ve kısa periyodik lazerler ile yüksek çözünürlükte çipler üretiyor bu makineler.
ASML, on yıllar boyunca bu teknikte uzmanlaştıktan sonra 2017 yılında seri üretim için birinci aşırı ultraviyole (EUV) litografi makinelerini tanıttı. ASML bugün makineleri yalnızca beş çip üreticisine satıyor. Bunların en büyük üçü çok tanıdık: TSMC, Samsung ve Intel.
İlk EUV makineleri TSMC’ye verilmişti. TSMC, o vakitten beri Samsung ve Intel’in en az bir düğüm önündeki çip teknolojisiyle önde kaldığını söylüyor. Artık tüm bu firmalar ASML’ye bağlı. Lakin aslında her vakit o denli değildi.
ASML’nin hakimiyeti nispeten yeni bir olgu. Yaklaşık 10 yıl evvel şirketin EUV’yi araştırma yeteneği Intel, Samsung ve TSMC’nin büyük yatırımlarıyla belirlenmişti. Öte yandan ASML, 1999 yılında neredeyse batıyordu. ASML CEO’su Peter Wennink, 1999 yılında “Paramız yoktu. Bu yüzden dışarı çıktık ve ortaklar bulduk, aslında şirketi kurma formumuzun temeli buydu. Böylelikle bir sistem mimarı ve sistem entegratörü olmak zorunda kaldık.” diyor. Günümüzde ve onlarca yıldır olduğu üzere ASML, makinelerini sattığı firmalardan önemli yatırımlar almaya devam ediyor. ASML o kadar kıymetli bir firma ki tahminen de dünya üzerinde satın alınamayacak tek şirket konumunda. O denli ki ülkeler için stratejik ehemmiyete sahip. Mesela EUV ve gelen yeni jenerasyon makinenin Çin’e satışı yasak.
Küçük bir iş için büyük bir makine
EUV makineleri, yaklaşık 800 global tedarikçiden yüz binlerce bileşen içeren birkaç modülden oluşuyor. Her modül ASML’nin dünya çapındaki 60 lokasyonundan birinde üretiliyor ve akabinde montaj için Hollanda’daki merkeze gönderiliyor. Bu makinelerin her biri kabaca bir otobüs büyüklüğünde ve 150 milyon dolara mal oluyor. İçinde 100.000 modül ve 2 kilometre uzunluğunda kablo var. Monte edilen her makine test edildikten sonra, bir yonga üreticisine gönderilmek üzere demonte ediliyor. Nakliye için 20 kamyon ve üç adet tam yüklü Boeing 747 gerekiyor. Fakat bunlar klâsik EUV litografi makineleri için geçerli. Mühendislik harikası
Mikroçip üretmek halihazırda dünyanın gördüğü en ileri mühendislik çalışmalarından kimilerini gerektiriyor. Hayatımıza güç veren bilgisayarlar giderek daha karmaşık hale gelirken, her zamankinden daha güçlü çiplere muhtaçlık duyuluyor. Son on yıldır, çip üretimi için altın standart sistem ASML tarafından üretilen EUV litografi makineleri oldu. Bu makineler transistörlerin boyutunu yalnızca birkaç nanometreye, yani bir saç telinden on binlerce kat daha inceye kadar küçültmelerine imkan sağladı. Bir çip, silindirik bir kristal silikon yığını olarak hayatına başlıyor ve daha sonra lazer ışığa hassas gereç katmanlarıyla kaplanan ve tekrar tekrar desenli ışığa maruz bırakılan ince levhalar halinde dilimleniyor. Silikonun ışık tarafından dokunulmayan kısımları daha sonra bir çipin karmaşık detaylarını ortaya çıkarmak için kimyasal olarak aşındırılıyor. Her bir yonga plakası daha sonra çok sayıda başka yonga yapmak üzere kesimlere ayrılıyor.
Bir çip üzerindeki bileşenleri küçültmek, bir kesim silikondan daha fazla hesaplama gücü elde etmenin en kesin yolu olmaya devam ediyor zira elektronlar daha küçük elektronik bileşenlerden daha verimli bir halde geçiyor ve bir çipin içine daha fazla bileşen yerleştirmek çipin hesaplama kapasitesini artırıyor.
Çok ultraviyole litografi yahut kısaca EUV, evvelki litografik usul olan derin ultraviyole yahut DUV (193 nanometre) ile karşılaştırıldığında çok daha kısa bir ışık dalga uzunluğunun (13,5 nanometre) kullanılmasına imkan tanıyor. Lakin mühendislik zorluklarının giderilmesi onlarca yıl aldı. EUV ışığının üretilmesi bile başlı başına büyük bir sorun. Lazer tabanlı litografi, onlarca yıldır çiplerin büyük ölçekte tasarlanması ve üretilmesinde kilit rol oynamakta. Mevcut EUV makineleri, son on yıllık yarı iletken süreç gelişimini desteklemiş olsalar da, 2nm altı düğümlerin seri üretime elverişli bir halde çiplere desenlenmesi için gereken çözünürlüğe ulaşamıyorlar.
Aslında makineler bu hassasiyete ulaşabiliyor lakin bunu yapmak için EUV ışığından tek bir pozlama yerine üç yahut dört pozlama gerekiyor. Bu durum, küçülen boyutlarla ilgili öbür problemlerle birlikte, araştırmacıların yeni bir prosedür düşünmeleri gerektiği manasına geliyor. Tahlil, yüksek sayısal açıklıklı (veya high NA) EUV litografi olarak isimlendirilen bir metot.
ASML’nin yeni makinesi, bir çip üzerinde daha küçük yapılar üretmek için ek bir numara getiriyor: ışığın optiklerden farklı açılarda geçmesine müsaade vererek görüntüleme çözünürlüğünü artıran daha büyük bir sayısal açıklık. Bu, bileşenleri hassas bir formda denetim etmek için değerli ölçüde daha büyük aynalar ile yeni yazılım ve donanım gerekiyor. Daha evvel profesyonel bir kamera kullandıysanız, sayısal açıklığın artırılmasının daha keskin bir odakla sonuçlandığını bilirsiniz, fakat bu tıpkı vakitte daha sığ bir odak derinliği manasına gelir. Birebir durum High NA EUV litografi için de geçerli. ASML’nin mevcut kuşak EUV makineleri 13 nanometre çözünürlüğe sahip çipler oluşturabiliyor. Yeni kuşak, 8 nanometre boyutunda kesimler oluşturmak için High-NA kullanacak.
Günümüzde EUV kullanan en değerli şirket, müşterileri ortasında Apple, Nvidia ve Intel’in de bulunduğu TSMC’dir. Intel, EUV’yi benimsemekte gecikti ve sonuç olarak rakiplerinin gerisinde kaldı, bu nedenle son vakitlerde üretiminin bir kısmını TSMC’ye dış kaynak olarak verme kararı aldı. Lakin Intel, bu sefer geç kalmadı, hatta muhtemelen rakiplerinden daha erken bu makinelerden alacak.
Moore Maddesi’ne farklı bir yorum
Moore Yasası, belli bir silikon alanındaki transistör sayısının kabaca iki yılda bir ikiye katlanması gerektiğini öneriyor. Elbette gerçek çok daha farklı. Moore Maddesi’ne ayak uydurmak, neredeyse hayal bile edilemeyecek vakit, güç, insan ve makineler gerekiyor. ASML’nin baş teknoloji sorumlusu Martin van den Brink, Gordon Moore’un 1965 tarihli makalesinin aslında küçülmeden çok inovasyon yürüyüşüne odaklandığını belirtiyor. Brink, High-NA EUV’nin en azından önümüzdeki 10 yıl boyunca çip sanayisindeki ilerlemeyi teşvik etmeye devam etmesini beklerken, litografi kullanarak çip boyutlarını küçültmenin daha az değerli hale geleceğine inanıyor.
Van den Brink, ASML’nin e-beam ve nanoimprint litografi de dahil olmak üzere EUV için önerilen halefleri araştırdığını, lakin hiçbirinin değerli bir yatırımı haklı çıkaracak kadar emniyetli bulmadığını söylüyor. Litografik makinelerin randımanını hızlandırırken termal kararlılığı ve fizikî bozuklukları hesaba katan yeni usullerin randımanı artırmaya yardımcı olacağını öngörüyor. Çipler daha süratli hale gelmese bile, bu durum en gelişmiş çiplerin daha ucuz hale gelmesine ve daha yaygın olarak kullanılmasına yol açabilir.
Aslında firmalar da daima küçülmenin en âlâ ve tek seçenek olmadığının farkında. Intel ve öbürleri halihazırda çip üzerinde dikey olarak bileşen oluşturmaya çalışıyor. Yeni dikey CFET transistörler bunlara bir örnek. Dikey çiplerle birlikte performans artışı da önemli oranda artacak. Münasebetiyle Moore Yasası yaşamaya devam edecek, yalnızca inşa halimizi bir müddet sonra değiştirmek zorunda kalacağız.
400 milyon dolarlık makine
En baştan söyleyelim: High-NA EUV ile maksat 2nm ve altı süreç düğümleri olacak. 2nm deyince biraz havada kalıyor: 2nm nanosheet teknolojisi, tırnak büyüklüğündeki tek bir çip üzerinde 50 milyar transistöre imkan tanıyacak. Lakin çip devrelerini bu minik boyutlarda basabilmek için o kadar hassas bir lazer çözünürlüğü gerekiyor ki, mevcut makineler bile bunu seri üretime elverişli bir halde yapmakta yetersiz kalıyor. Üretken yapay zeka üzere teknolojilerde ilerleme devam ettikçe, çok geçmeden daha güçlü çiplere gereksinim duyacağımıza kuşku yok. Bunları inşa etmek için, daha da küçük kesimler basabilen yeni araçlara ve bunu gerçeğe dönüştürecek bir ekosisteme gereksinimimiz var. ASML, High-NA EUV (Yüksek sayısal açıklıklı çok ultraviyole – High-numerical aperture extreme ultraviolet) ekipmanlarının sevkiyatına 2024 yılın başlayacak ve bu makineler 350 ila 400 milyon dolar ortasında bir kıymete sahip olacak. Sayısal açıklık, yani NA, evvelki makinelere nazaran 0,33’ten 0,55’e yükseltilerek 2 nanometre (nm) yahut altındaki süreç düğümlerinin geliştirilmesi için gerekli olan desen çizimine imkan tanıyacak.
ASML, High-NA EUV ekipmanının 2024 yılında birinci sefer fabrikalara uygulanacağını ve şirketin uzun vadede yılda 20 adet üretmeyi planladığını söylüyor. Münasebetiyle yonga üreticileri bu makineyi birinci teslim almak için kıyasıya bir rekabet içinde. ASML CEO’su şirketin ekipmanı 2026 ile 2027 yılları ortasında seri üretime geçirebileceğini ve üretim kapasitesini mümkün olduğunca artırmak için çalışacağını söyledi.
Şimdi ne olacak?
Eğer Formula 1 takip ediyorsanız muhakkak aralıklarla oyunun kurallarının değiştiğini görürsünüz. Bu değişiklikler temelinde araç değişikliğidir. 2014’teki hibrit çağ ve 2022’deki yer tesirli araçlar ve 2026’daki gelecek yeni periyot bunlara birer örnek. Şayet spora aşinaysanız, bu her değişiklik periyodunda çoklukla yeni bir dominasyonun başladığını fark etmişsinizdir.
Mesela hibrit çağda Mercedes inanılması güç rekorlar kırdı ve tüm markalar şampiyonluğunu ele geçirdi. Artık de yer tesiri çağında benzerini Red Bull yapıyor. Artık ASML ve High-NA EUV ile bunun ne ilgisi var diyebilirsiniz. Aslında var. Tıpkı EUV makinelerine geçişle birlikte TSMC’nin pazarın çok büyük bir kısmına hükmetmesiyle birlikte High-NA EUV makinelerine geçiş de yeni bir önder ortaya çıkarabilir.
Intel, EUV sürecinde geride kalmıştı ve neredeyse 10 yıl boyunca bunun ceremesini çekti. Fakat Intel bu sefer erken davrandı ve birinci High-NA EUV makinelerini teslim alacağını söyledi, en azından son durum bu. Üstte da dediğimiz üzere TSMC de EUV makinelerini vaktinde birinci alandı. Intel birebir vakitte agresif bir büyüme de geçiriyor. Kendisinin bir kısmını TSMC üzere bir üreticiye dönüştürüyor, bunun için önemli fabrika yatırımları yapıldı. Yeni makineler yeni fabrikalar ve açıklanan dizaynlarla Intel, önümüzdeki 10 yıla damga vurabilir.
