Bugün Intel, AMD, Nvidia ve TSMC gibi firmaların adını sıklıkla duyuyoruz. Her yıl yeni donanımlar ve yeni bileşenler çıkıyor ve önceki nesle göre güçlü ilerlemeler kaydediliyor. Peki bu nasıl oluyor? Teknoloji firmaları halen Moore Yasası’nı nasıl ayakta tutabiliyor? Ya da gerçekten onlar mı ayakta tutuyor? Aslına bakarsanız durum hiç de öyle değil. Çok uzunca bir süredir teknoloji dünyasının ilerleyişi büyük oranda tek bir firmaya bağlı. Bu firma, öyle makineler üretiyor ki alanında rakibi yok. Tüm üreticiler, bu gerçek üreticinin kapısında kuyrukta bekliyor. İlgili olanlar bu firmayı zaten biliyordur, ancak bugün biraz daha derine inelim. Bu arada evet, konumuz Advanced Semiconductor Materials Lithography veya bilindik adıyla; ASML. ASML
Hollanda’nın güneyinde, Belçika sınırına yakın Veldhoven kasabasında, dünyanın en büyük çip üreticilerinin güvendiği devrim niteliğindeki bir makineyi monte edebilen dünyadaki yegane fabrika bulunuyor. Bu yarı iletken endüstrisi devinin ve fabrikasının tek bir işi var: Sürekli daha küçük düşünmek. Ya da belki daha büyük.
Hollanda’nın en büyük değeri ASML, telefon ve dizüstü bilgisayarlardan arabalara ve yapay zekaya kadar her şeyde kullanılan bilgisayar çiplerindeki mikroskobik devreleri oluşturan odaklanmış ışık demetlerini üretme arayışında 200 tondan fazla ağırlığa 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 yapımında daha küçük daha iyidir, çünkü aynı alana ne kadar çok transistör yerleştirirseniz, bir çip o kadar hızlı ve enerji açısından daha verimli olabilir.
Devreler artık atomik seviyeye yaklaşıyor ve bu da 1960’larda bir mikroçip üzerindeki transistör sayısının her iki yılda bir iki katına çıktığına dair ünlü bir gözlem olan “Moore Yasası“nın sonunun yaklaştığına işaret ediyor. ASML ise bunu ayakta tutmaya kararlı. Hemen yukarda adını geçirdiğimiz “High-NA” için biraz daha sabretmeniz gerek, zira ondan önce değinmemiz gereken birkaç konu daha var.
Silikon üzerinde ilk ışık
2000 yılından bu yana ASML, şu anda ağırlıklı olarak eski teknolojiye odaklanan Japon rakipleri Nikon ve Canon‘dan inanılmaz bir hızda pazar payı kaptı. Şu anda ASML, litografi pazarının %90’ından fazlasını kontrol ediyor. Hiçbir rakip, yüksek geliştirme maliyetlerini gerekçe göstererek bir EUV sistemi kurmaya çalışmıyor. Bu arada bilmeyenler için; EUV, ASML’nin mikroçipler üzerine küçük, karmaşık tasarımlar basmak için büyük miktarlarda ürettiği inanılmaz derecede kısa bir ışık dalga boyu olan aşırı ultraviyole anlamına geliyor. EUV ışığı, aşırı hızlarda gerçekleşen küçük erimiş kalay patlamalarıyla yaratılıyor ve ardından ASML’nin dünyadaki en pürüzsüz yüzey olduğunu söylediği benzersiz Zeiss aynalarından sekiyor.EUV ışık parçacıklarının küçük bir yüzdesi ise nihayetinde her bir çipin ne yapacağını belirleyen küçük tasarımları yazdırdıkları bir silikon yonga plakasının yüzeyine erişiyor. Basitçe durum şu: Çok güçlü, hassas ve kısa süreli lazerler ile yüksek çözünürlükte çipler üretiyor bu makineler.
ASML, on yıllar boyunca bu teknikte uzmanlaştıktan sonra 2017 yılında seri üretim için ilk aşırı ultraviyole (EUV) litografi makinelerini tanıttı. ASML bugün makineleri sadece beş çip üreticisine satıyor. Bunların en büyük üçü çok tanıdık: TSMC, Samsung ve Intel.
İlk EUV makineleri TSMC’ye verilmişti. TSMC, o zamandan beri Samsung ve Intel’in en az bir düğüm önündeki çip teknolojisiyle önde kaldığını söylüyor. Artık tüm bu firmalar ASML’ye bağlı. Ama aslında her zaman öyle değildi.
ASML’nin hakimiyeti nispeten yeni bir olgu. Yaklaşık 10 yıl önce 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 şeklimizin temeli buydu. Böylece bir sistem mimarı ve sistem entegratörü olmak zorunda kaldık.” diyor. Günümüzde ve onlarca yıldır olduğu gibi ASML, makinelerini sattığı firmalardan ciddi yatırımlar almaya devam ediyor. ASML o kadar değerli bir firma ki belki de dünya üzerinde satın alınamayacak tek şirket konumunda. Öyle ki ülkeler için stratejik öneme sahip. Mesela EUV ve gelen yeni nesil makinenin Çin’e satışı yasak.
Küçük bir iş için büyük bir makine
EUV makineleri, yaklaşık 800 küresel tedarikçiden yüz binlerce bileşen içeren birkaç modülden oluşuyor. Her modül ASML’nin dünya çapındaki 60 lokasyonundan birinde üretiliyor ve ardından montaj için Hollanda’daki merkeze gönderiliyor. Bu makinelerin her biri kabaca bir otobüs büyüklüğünde ve 150 milyon dolara mal oluyor. İçinde 100.000 parça 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. Ancak bunlar geleneksel EUV litografi makineleri için geçerli. Mühendislik harikası
Mikroçip üretmek halihazırda dünyanın gördüğü en ileri mühendislik çalışmalarından bazılarını gerektiriyor. Hayatımıza güç veren bilgisayarlar giderek daha karmaşık hale gelirken, her zamankinden daha güçlü çiplere ihtiyaç duyuluyor. Son on yıldır, çip üretimi için altın standart sistem ASML tarafından üretilen EUV litografi makineleri oldu. Bu makineler transistörlerin boyutunu sadece birkaç nanometreye, yani bir saç telinden on binlerce kat daha inceye kadar küçültmelerine olanak sağladı. Bir çip, silindirik bir kristal silikon yığını olarak hayatına başlıyor ve daha sonra lazer ışığa duyarlı malzeme katmanlarıyla kaplanan ve tekrar tekrar desenli ışığa maruz bırakılan ince levhalar halinde dilimleniyor. Silikonun ışık tarafından dokunulmayan kısımları daha sonra bir çipin karmaşık ayrıntılarını ortaya çıkarmak için kimyasal olarak aşındırılıyor. Her bir yonga plakası daha sonra çok sayıda ayrı yonga yapmak üzere parçalara ayrılıyor.
Bir çip üzerindeki bileşenleri küçültmek, bir parça silikondan daha fazla hesaplama gücü elde etmenin en kesin yolu olmaya devam ediyor çünkü elektronlar daha küçük elektronik bileşenlerden daha verimli bir şekilde geçiyor ve bir çipin içine daha fazla bileşen yerleştirmek çipin hesaplama kapasitesini artırıyor.
Aşırı ultraviyole litografi veya kısaca EUV, önceki litografik yöntem olan derin ultraviyole veya DUV (193 nanometre) ile karşılaştırıldığında çok daha kısa bir ışık dalga boyunun (13,5 nanometre) kullanılmasına olanak tanıyor. Ancak 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 şekilde çiplere desenlenmesi için gereken çözünürlüğe ulaşamıyorlar.
Aslında makineler bu hassasiyete ulaşabiliyor ancak bunu yapmak için EUV ışığından tek bir pozlama yerine üç veya dört pozlama gerekiyor. Bu durum, küçülen boyutlarla ilgili diğer sorunlarla birlikte, araştırmacıların yeni bir yöntem düşünmeleri gerektiği anlamına geliyor. Çözüm, yüksek sayısal açıklıklı (veya high NA) EUV litografi olarak adlandırılan bir yöntem.
ASML’nin yeni makinesi, bir çip üzerinde daha küçük yapılar üretmek için ek bir numara getiriyor: ışığın optiklerden farklı açılarda geçmesine izin vererek görüntüleme çözünürlüğünü artıran daha büyük bir sayısal açıklık. Bu, bileşenleri hassas bir şekilde kontrol etmek için önemli ölçüde daha büyük aynalar ile yeni yazılım ve donanım gerekiyor. Daha önce profesyonel bir kamera kullandıysanız, sayısal açıklığın artırılmasının daha keskin bir odakla sonuçlandığını bilirsiniz, ancak bu aynı zamanda daha sığ bir odak derinliği anlamına gelir. Aynı durum High NA EUV litografi için de geçerli. ASML’nin mevcut nesil EUV makineleri 13 nanometre çözünürlüğe sahip çipler oluşturabiliyor. Yeni nesil, 8 nanometre boyutunda parçalar oluşturmak için High-NA kullanacak.
Günümüzde EUV kullanan en önemli şirket, müşterileri arasında Apple, Nvidia ve Intel’in de bulunduğu TSMC’dir. Intel, EUV’yi benimsemekte gecikti ve sonuç olarak rakiplerinin gerisinde kaldı, bu nedenle son zamanlarda üretiminin bir kısmını TSMC’ye dış kaynak olarak verme kararı aldı. Ancak Intel, bu sefer geç kalmadı, hatta muhtemelen rakiplerinden daha erken bu makinelerden alacak.
Moore Yasası’na farklı bir yorum
Moore Yasası, belirli bir silikon alanındaki transistör sayısının kabaca iki yılda bir ikiye katlanması gerektiğini öneriyor. Elbette gerçek çok daha farklı. Moore Yasası’na ayak uydurmak, neredeyse hayal bile edilemeyecek zaman, enerji, insan ve makineler gerekiyor. ASML’nin baş teknoloji sorumlusu Martin van den Brink, Gordon Moore’un 1965 tarihli makalesinin aslında küçülmeden ziyade inovasyon yürüyüşüne odaklandığını belirtiyor. Brink, High-NA EUV’nin en azından önümüzdeki 10 yıl boyunca çip endüstrisindeki ilerlemeyi teşvik etmeye devam etmesini beklerken, litografi kullanarak çip boyutlarını küçültmenin daha az önemli hale geleceğine inanıyor.
Van den Brink, ASML’nin e-beam ve nanoimprint litografi de dahil olmak üzere EUV için önerilen halefleri araştırdığını, ancak hiçbirinin önemli bir yatırımı haklı çıkaracak kadar güvenilir bulmadığını söylüyor. Litografik makinelerin verimini hızlandırırken termal kararlılığı ve fiziksel bozuklukları hesaba katan yeni yöntemlerin verimi artırmaya yardımcı olacağını öngörüyor. Çipler daha hızlı hale gelmese bile, bu durum en gelişmiş çiplerin daha ucuz hale gelmesine ve daha yaygın olarak kullanılmasına yol açabilir.
Aslında firmalar da sürekli küçülmenin en iyi ve tek seçenek olmadığının farkında. Intel ve diğerleri halihazırda çip üzerinde dikey olarak bileşen oluşturmaya çalışıyor. Yeni dikey CFET transistörler bunlara bir örnek. Dikey çiplerle birlikte performans artışı da ciddi oranda artacak. Dolayısıyla Moore Yasası yaşamaya devam edecek, sadece inşa şeklimizi bir süre sonra değiştirmek zorunda kalacağız.
400 milyon dolarlık makine
En baştan söyleyelim: High-NA EUV ile hedef 2nm ve altı işlem düğümleri olacak. 2nm deyince biraz havada kalıyor: 2nm nanosheet teknolojisi, tırnak büyüklüğündeki tek bir çip üzerinde 50 milyar transistöre olanak tanıyacak. Ancak çip devrelerini bu minik boyutlarda basabilmek için o kadar hassas bir lazer çözünürlüğü gerekiyor ki, mevcut makineler bile bunu seri üretime elverişli bir şekilde yapmakta yetersiz kalıyor. Üretken yapay zeka gibi teknolojilerde ilerleme devam ettikçe, çok geçmeden daha güçlü çiplere ihtiyaç duyacağımıza şüphe yok. Bunları inşa etmek için, daha da küçük parçalar basabilen yeni araçlara ve bunu gerçeğe dönüştürecek bir ekosisteme ihtiyacımız var. ASML, High-NA EUV (Yüksek sayısal açıklıklı aşırı ultraviyole – High-numerical aperture extreme ultraviolet) ekipmanlarının sevkiyatına 2024 yılın başlayacak ve bu makineler 350 ila 400 milyon dolar arasında bir değere sahip olacak. Sayısal açıklık, yani NA, önceki makinelere göre 0,33’ten 0,55’e yükseltilerek 2 nanometre (nm) veya altındaki işlem düğümlerinin geliştirilmesi için gerekli olan desen çizimine olanak tanıyacak.
ASML, High-NA EUV ekipmanının 2024 yılında ilk kez fabrikalara uygulanacağını ve şirketin uzun vadede yılda 20 adet üretmeyi planladığını söylüyor. Dolayısıyla yonga üreticileri bu makineyi ilk teslim almak için kıyasıya bir rekabet içinde. ASML CEO’su şirketin ekipmanı 2026 ile 2027 yılları arasında seri üretime geçirebileceğini ve üretim kapasitesini mümkün olduğunca artırmak için çalışacağını söyledi.
Şimdi ne olacak?
Eğer Formula 1 takip ediyorsanız belirli aralıklarla oyunun kurallarının değiştiğini görürsünüz. Bu değişiklikler esasında araç değişikliğidir. 2014’teki hibrit çağ ve 2022’deki yer etkili araçlar ve 2026’daki gelecek yeni dönem bunlara birer örnek. Eğer spora aşinaysanız, bu her değişiklik döneminde genellikle yeni bir dominasyonun başladığını fark etmişsinizdir.
Mesela hibrit çağda Mercedes inanılması güç rekorlar kırdı ve tüm markalar şampiyonluğunu ele geçirdi. Şimdi de yer etkisi çağında benzerini Red Bull yapıyor. Şimdi 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 lider ortaya çıkarabilir.
Intel, EUV sürecinde geride kalmıştı ve neredeyse 10 yıl boyunca bunun ceremesini çekti. Ancak Intel bu sefer erken davrandı ve ilk High-NA EUV makinelerini teslim alacağını söyledi, en azından son durum bu. Yukarıda da dediğimiz gibi TSMC de EUV makinelerini zamanında ilk alandı. Intel aynı zamanda agresif bir büyüme de geçiriyor. Kendisinin bir kısmını TSMC gibi bir üreticiye dönüştürüyor, bunun için ciddi fabrika yatırımları yapıldı. Yeni makineler yeni fabrikalar ve açıklanan tasarımlarla Intel, önümüzdeki 10 yıla damga vurabilir.