Dünyanın en büyük bağımsız yarı iletken üreticisi yol haritasında geçtiğimiz yıl yer verdiği üzere 5 nm bantlarından ilk örnekleri çıkarmaya başladı. Yeni litografı sayesinde yongalarda performans artışının yanı sıra güç tüketiminde de iyileştirmeler görülecek.
%15 performans artışı sağlayacak
TSMC, şu an için işlemcilerden daha çok IoT ve 5G uygulamalarında yer alacak yeni üretim tekniğinin işlem dizayn kitinin üretime hazır olduğunu duyurdu. Ayrıca ilk denemelerin de başladığı bilgisini paylaşan Santa Clara merkezli firma yeni nod sayesinde Cortex A72 çekirdeğinde %15 performans artışı elde edileceğine de yer verdi. Diğer yandan 5 nm tekniği sayesinde 7 nm DUV bantlarına kıyasla 1.8 kat yoğunluk artışı yaşanacak.Diğer taraftan 7 nm süreci de artık iyice olgunlaşmış durumda. Üretim kapasitesini arttıran TSMC’nin arzının çoğu mobil pazara gidecek. Ek olarak EUV tekniğiyle hacimli üretime geçilecek 7 nm bantlarının hacimli üretimine ise bu ay sonunda başlanmış olunacak. Son olarak yılın ikinci yarısında ilk siparişlerinin gönderimine başlayacak olan TSMC yeni iPhone’ların yongalarının üretimine başlaması ise 3. Çeyreği bulacak.
https://wccftech.com/tsmc-5nm-production-euv/ Yorum Yaz Paylaş Tweetle
2012 de 2tb disk almışım şimdi yaygın kapasite yine aynı. Geçen zamanda sadece ssd ler ucuzladı. 
) Allah'tan iletilen elektronlar değil elektrik alanı ki GHz hızları görebiliyoruz. 
) Tabii ki bu kadar mesafe tamamen silikon değil ve çoğu kısmı bakır. İşte bu yüzden transistörleri sürekli küçültmeye çalışıyoruz zaten. Ne kadar küçükse elektron o kadar kısa sürede geçer ve frekans artar. (ayrıça çipe daha çok transistör tıkabilir ve voltajı da düşürebiliriz)
Zira saf silisyum yalıtkan bir madde.Bunu yarı iletken hale getirmek için silikon kristaline katkı atomları ekleniyor, yani saf silisyum kristali valans değeri yüksek veya düşük (N veya P tipi yarıiletken) atomlar ile kirletiliyor. Silisyum son yörüngesinde 4 elektrona sahip (4/8) olduğundan diğer silisyumlar ile 4 kovalent bağ kuruyor ve boşta/fazla valans elektronu kalmadığından yalıtkan oluyor. N tipi için genelde son yörüngesinde (5/8 elektron) olan atomlar kullanılıyor ve 1 elektron bağlanmadan kalıyor. Bu açık elektron sanki fazla elektron (tümsek) varmış gibi davranıyor ve N tipi deniyor. P tipi için ise son yörüngesinde (3/8 elektron) olan atomlar kullanılıyor ve bir bağ açıkta kalıyor. Sanki 1 elektron eksikmiş gibi P tipi (oyuk) deniliyor. (Fosfor, bor, arsenik vb)
Silisyum ile katkı atomlarının kovalent çapları farklı olduğundan kristal yapısı düzgün olmuyor. (kristal kafes hücreleri şişiyor veya büzüşüyor katkı atomunun kovalent çapına göre). Bu ise direnç-saçılma vb sorunlara yol açıyor. Kristali düzgün yapmak için gerdirme teknikleri kullanılıyor, yani kristaldeki en büyük kovalent çapa göre hizalanmaya çalışılıyor. (Örneğin FD-SOI dediğimiz üretim tekniğindeki SOI tanımı silicon on isolator demektir ve bir gerdirme tekniğini ifade eder) Gerdirme sonucunda kristal biraz büyüyor ve ara boşluklarla birlikte yukarıdaki 7/5 nm için olan 1,55/1,11 nm değerleri de 2/1.6 nm değerlerine ulaşıyor.
Nm değeri çok küçülünce tabii ki bazı sorunlar baş gösteriyor. Kuantum tünellemesi, electromigration, saçılma gibi atomik davranış bozulmalarının yanı sıra hizalama, çapaklanma, kirlilik gibi üretim sorunları da ciddi sıkıntı yaratmaya başlıyor.
Kuantum tünellemesi : İletkende gitmesi gereken elektronun iletkenler arası yalıtkanı kuantum tünelleme etkisi ile geçerek başka iletkene atlaması sonucu sinyalin bozulmasına neden olmasıdır. Tünelleme aslında oldukça yavaş bir hızdadır ama kalınlıklar artık 5-7 atom seviyelerine indiğinde ciddi sorun olmaktadır. Üstelik yeri ve zamanı belli olan bir olgu da değildir, önceden tahmin edilemeyen bir rastlantısallık içerir. Quantum olgusu çok durumluluk ve olasılık içerdiğinden tespiti ve testi imkansıza yakındır. Bir gün düzgün çalışan işlemci (olasılık gerçekleşmedi) öbür gün sapıtabilir, başta düzgün çalışıp sonra yamulabilir.
Electromigration : Bir iletkendeki atomların akan elektronların çarpması (direnç faktörlerinden) sonucu yer değiştirmesidir. Bu yer değiştirme sonucu incelip iletkenliği azalabilir veya tamamen kopabilir. Veya taşınan atomlar bir yere yığılıp tümsek-çapak oluşturabilir ve yakın iletken hatlarla kısa devre yapabilir. (veya aralık azaldıkça tünelleme etkisi de artar) Isı ve voltaj da bu etkiyi artırır. Voltaj arttıkça akan elektronunda enerjisi artacağından çarpma etkisi de artar. Yine ısı da kristalin bağlarını zayıflattığından (metaller kristaldir ve böyle erirler mesela) atomlar daha kolay koparılabilir yerinden. Electro migration ilerleyince çip ölür.
Resimde electromigation sonucu hem kopma noktasına gelen, hem de tümsek-çapak oluşturup yan hatla kısa devre yapıp ölen çip örnekleri görüyoruz. Günümüz 55-60 atom kalınlığında (yaklaşık 12 nm) iletken yollarda 20-25 atomun kemirilmesi veya yığılması bile sorun yaratmayabilir. Ama 5-7 atom söz konusu oluna 2-3 atomluk bir taşınma bile çok ciddi hasar demektir.
Saçılma : İletkenlerdeki direnç dediğimiz olgunun sonucudur. Direnci belirleyen ilk faktör valans elektronunun ne kadar zor/kolay koparılabildiğidir. En iyi iletkenler son yörüngesinde 1 valans elektronu içeren ve bu nedenle kolay koparılabilen gümüş, altın, bakır gibi metallerdir. İkinci faktör ısıdır. Isınan iletkenlerin direnci artar. (yarıiletkenler tam tersi) Isı özünde bir titreşim olduğundan daha fazla titreşen atomlar akan elektronlarla daha fazla çarpışırlar. (akan elektron atomun çekirdeğine değil elektronuna çarpar) Üçüncü etken ise iletkenin kesiti-kalınlığıdır. Ortaokulda bile öğretiyorlar.
Bu aslında trafik gibidir. Çok sayıda elektronun (aracın) aktığı yol daraldıkça tıkanma-çarpışma oranı da artacaktır. İşlemcilerde transistörler arasında iletim için bakır hatlar kullanılıyor. Elektronlar bakırda aslında otoyoldaki araçlar gibi AKMIYORLAR. İlerleme şekline SÜRÜKLENME deniyor. Şöyle diyelim; rüzgara karşı topa vurup 20 metre ileri atıyorsunuz, rüzgar 10 m geri getiriyor, sonra yine 20-10 diye ilerliyorsunuz. Çarpan elektronlar da sekiyor ve elektrik alanı onları tekrar ileri gönderiyor, bir top gibi. Elektronun bakırdaki sürüklenme hızı 1570 Km/saniye. (bu durumda en uzak iki nokta arası mesafe 1 cm olan bir çipte max hızımız 157 MHz olur.
İletken tamam ama transistörde sorun var. Silikon dielektrik olduğundan elektrik alanı burada işe yaramıyor. Elektronların bizzat bir uçtan girip diğer uçtan çıkması (akması) lazım. Ama elektronun silikondaki sürüklenme hızı yalnızca 230 Km/sn. (1 cm çip için 23 MHz.
Küçültmek güzel gibi ama bir noktadan sonra dert. Tünelleme-migration dışında saçılma da bela oluyor. Elektronlar sadece geri sekmiyor, sağa sola da sekiyor (araçlar yoldan çıkıyor). Yine yola gelelim, yukarıdaki 50 şeritli yolda ancak 1 ve 50 numaralı şeritlerdeki araçlar yoldan çıkabilir. Sağa-sola gitme ihtimalleri %50 ise toplam saçılma (yoldan çıkma) olasılığı %2 seviyesinde kalır. Yani a noktasından b noktasına gönderdiğimiz sinyal fazla zayıflamaz. 5 şeritli yolda ise 2 şeritten saçılma olacağından oran %20 olur. Yani sinyalimiz hedefte işe yaramayacak kadar zayıflayabilir.
Bunu yerleşimden uzak şantiyede işçi göndermek olarak düşünürsek, çok işçi yolda kaybedildiğinden şantiyeye ulaşan işçi sayısı yetersiz kalacak. Bunun için ya gönderim süresini uzatacağız, yani mesela işçileri yola yarım saat içinde değil 1 saat içinde yayarak çıkartacağız ve zaiyatı düşüreceğiz (frekansı düşüreceğiz). Yada daha zaiyat halinde bile yeterli olacak kadar çok işçi (elektron) göndereceğiz. Yani voltajı artıracağız ki watt-ısınma yanında migration-tünelleme etkisinin artması demek. Aslında bir kısır döngü var. Hızlanmak için küçülmek lazım, küçülünce de sorunlar artıyor.
Bunun yanında teknik-mühendislik sorunları da başa çıkılması çok zor hale geliyor.
Üretim kirliliği : Ne kadar uğraşsak da saf temizlikte ve kusursuz yapıda bir silikon kristali üretmemiz imkansız. En temiz ortamda bile mutlaka bir miktar yabancı atom olacak ve bulaşacaktır. Yine mutlaka kristalde lokal bozukluklar (düzgün olmayan kafes) ortaya çıkacaktır. Yine yarıiletken hale getirmek için eklediğimiz katkı atomları da kusursuz olarak dağılmayacak, yoğunluk farkları oluşacaktır. İşte bu unsurların bileşimi-oranı-etkisi vb ile fiziksel üretim süreçleri bizim üretim kalitesi dediğimiz şeyle sonuçlanır. Örneğin 8 çekirdekli tüm aynı sınıf işlemciler ortak üretilirler. Aynı waferden çıkarlar. Mesela benim FX-8320 ile 8350 ve 8370 aynı wafer üzerinde yan yana durmuş olabilir.
İşte bu kirlik ve silikon kusurları işlemcinin hızını belirler. Waferin daha saf ve hatasız kısımlarına denk gelen çekirdekler 8370 vb olabilirken (hatta 9590 vb) daha kirli-hatalı kısımlarına denk gelenler de 8320 olabilmiştir. Bugün de aynı durum geçerlidir. Aynı çekirdek sayısı aynı waferde üretilir, testte çıkabildiği hıza ve kapasitesine göre model adı alır. Kirlilik görüldüğü gibi günümüzde de önemli ama kritik değerde değil. 50-60 atom kalınlığı bir yerde 10-20 atomluk bir bozukluk çalışmayı kesmez ama hızını değiştirebilir. Ama 5-7 atomluk bir alanda 2-3-4 atomluk bir bozulma tamamen çalışmaz hale getirebilir. Öyle ki wafer basılan yerler dünyanın en temiz ve arındırılmış alanlarıdır. En yüksek teknoloji ve hassaslık gerektiren uzay işleri, tıp alanları, biyolojik çalışmalar vb bunun yanında çöplük gibi kalır. Daha fazla saflaştırma-hatasızlık ise çok daha zor mühendislik ve yüksek maliyet demek.
Çapaklanma : Üretim teknolojisi ve aletlerinin tam kusursuz olmamaları sonucu (hiçbir zaman olmayacaklar) ortaya çıkan kristal ve çip kusurlarıdır. Aslında electro migration etkisinin sonucuyla benzer etkidedir. (Bkz:yukardaki migration resmi) Yani hatlarda-transistörlerde oyuk ve tümsekler oluşmasına neden olan üretim kusurudur. Üretimde nm değeri küçüldükçe de oluşan tümsek-oyuk kusurlarının etkisi artmaktadır. Kalın bir hatta-transistörde daha kolay tolere edilebilir ama inceldikçe küçük tümsek ve oyuklar dahi büyük sorun olmaya başlar. Başa çıkma çok daha zor mühendislik çalışması ve çok daha yüksek maliyet gerektirir, ki bunun bile bir sınırı var.
Resimde çok daha büyük nm üretim olmasına rağmen oluşan kirlilik ve çapaklanma etkisi görülmektedir.
Hizalama : Çip üretimi çok komplextir. Diyelim ki kusursuz kristal yapısına sahip (atomlar erler gibi düzgün hizalanmış ve katkı atomları da onbaşılar gibi eşit dağılmış) bir wafer ürettik. Bunun üzerine de kusursuz keskinlikte (oyuk yok-tümsek yok) ve yapıda (tüm yapılar eşit oran ve ölçüde) olan kusursuz litografi bastık ve waferi kusursuz kestik. Hala mükemmel işlemci üretemedik, sadece elimizde kusursuz die'ler (işlemci zarları) var. Bunu işlemci haline getirmek için önce diedeki transistörleri birbirine bağlamak ve sonra da paketlemek (işlemci kılıfı) ve sonra da test etmek gerekiyor. Burası daha zor.
İşlemci tek katman değil. Sadece ürettiğimiz die tek katman. Üzerine 30-40 (şimdi belki daha fazla) katmana ulaşan iletim hatları (transistörler arası) bulunuyor ve her katman sıra ile ekleniyor. Katmanı eklerken düzgün hizalama yapamazsanız çip bozuk oluyor. Üretim nm değeri küçüldükçe de düzgün hizalamak gittikçe çok daha zor hale geliyor. Bunu kendiniz de deneyebilirsiniz. İki kurşun kalemin düz arka tarafını mı hizalamak mı zor, yoksa iki 0,5 ucun mu daha zor deneyebilirsinz. Durum aynen bu. Hizalama demek bakır hatların transistörlerin bağlantı uçları ile (gate,drain,source) sağa-sola kaymadan ve boşluk bırakmadan hizalı ve doğru şekilde temas kurması demek.
TSMC>Intel nokta!
Şekilde günümüzde işlemcilerde kullanılan FET transistörlerinin (Intel Trigate, AMD FinFET) basit bir şemasını görüyoruz. Mavi-sarı-yesil kısım asıl transistör bölümü. Gri olan substrate denilen taşıyıcı tabaka. Kırmızı olansa katmanları ayırmak için kullanılan yalıtkan (dielektrik) tabaka. Mavi kısım gate, sarı spacer denilen ayırıcı tabaka. Yeşilin açık renk kısmı geçit. Koyu kısmının ise biri source diğer ucu drain. Bakır hatlarla bağlantılar işte bu iki koyu yeşil kısma ve kare şeklinde görülen mavi kısma yapılıyor.
Tabii ki erimiş bakır dökemiyoruz silikon anında yanar. Çok düşük başın ve sıcaklıkta bakır buharlatırılıyor-iyonlaştırılıyor ve elektostatik olarak bu alanlara (K.yeşil-mavi) yapışarak doldurması sağlanıyor. Sonra yüzey cilalanıp düzleştiriliyor. Tekrar kırmızı yalıtkan tabaka ekleniyor. Bu da cilalanıp düzleştiriliyor ve istenen kalınlığa getiriliyor. Tekrar litografi ile bu yalıtkan tabakada alt tabakaya ulaşan delikler ve yatay iletim hatları için kanallar açılıyor. Hizalama işte burada önemli. Alta ulaşan deliklerin doğru yerde ve hizada açılması lazım, yoksa iyi temas sağlanamıyor. Sonra bakırla dolduruluyor ve cilalanıyor, sonra tekrar yalıtkan tabaka ekleme, delik-kanal açma, bakır doldurma, cilalama ve yalıtkan ekleme diye defalarca tekrarlanıyor.
Şekilde transistör diesi ve tabakalar görünüyor. Bakır rengi olanlar tabii ki bakır iletim hatları. Burada gösterilmese de onların da arasında ve boşluklarında yalıtkan tabaka bulunuyor.
Bu şekilde tabakaların sayısındaki artışı görüyoruz. Şu anda 30 tabakadan fazla sayıdalar.
Burada bu tabakaların şematik bir gösterimi var.
Bu da gerçek tabakaların elektron mikroskobundaki görüntüsü var.Şimdi bu tabakalar daha fazla.
İşte bu tabakalar arsındaki kontaklar düzgün olmazsa-hizalanmazsa çip bozuk oluyor. Nm küçüldükçe de hizalamak gittikçe daha zor hale geliyor, bozuk çip oranı artıyor, birim başına maliyet yükseliyor. Üstelik üretim geometrisi de bunu ciddi oranda etkiliyor. Mesela AMD işlemcilerde kullanılan FinFET geometrili transistörler daha avantajlı. Transistör daha yatay-yayvan ve yüksekliği az, gate-source-drain kontak noktaları üstte ve kontak alanları da geniş. Intel Tri-Gate geometrisi ise daha dikey yapıda, yüzey alanı daha dar ama daha yüksek ve kontaklar daha yanda. Üstelik kontak alanları da diğerine göre daha dar. Dolayısı ile tri-gate ile doğru hizalama yapmak finfete göre çok daha zor. Bu daha büyük-daha küçük hedefe atış yapmak gibi. Hedef küçüldükçe isabet zorlaşır.
Intelin sıkıntısı bu aslında. Yıllardır 14 nm teknolojisinden 10 nm teknolojisine geçemedi. Aslında Intel 14 nm tri-gatesi transistör yüzey boyutu olarak AMD Finfetin 12 nm değerlerine tekabül ediyor. (biraz daha iyi) Ancak geometrisi kontakların yandan yapılmasına gerek duyuyor ve transistörün kendi kapladığı alan daha az olsa da (daha dar ama daha derin yapı) kontaklar da finfetin tersine biraz alan kaplıyor. Bu yüzden aynı birim alana sığdırdıkları toplam transistör sayısı denk sayılır.
Intelin sorunu bu hizalama olayı. Hem AMD işlemcilere göre daha fazla katman var hemde kontak alanları daha küçük. Hizalama hataları çok oluyor ve waferlerden çok daha az sağlam die çıkıyor (çok yüksek birim maliyet). Yoksa intel yıllardır 10 nm üretebiliyor. Sorunu yüksek hatadan dolayı düşük wafer-die verimi. Verimi birim çip başına uygun maliyet sağlayacak kadar yükseltemedi.
Eninde sonunda silikonun 1.6 nm civarlarında sonu gelecek.