21. Yüzyıla Girerken VLSI Teknolojisi

Enformasyon çağının iş ortamında, evde, kısaca günlük yaşamımızdaki etkisini her geçen gün daha fazla hissediyoruz. İnternet bilgi transferinin, haberleşmenin yapıldığı bir ortam haline geldi. Peki enformasyon çağının bu şekilde hayatımızın her noktasında etkili olmasını sağlayan ana etken nedir diye hiç düşündük mü? Yarı-iletken teknolojisi, yüzyılımıza damgasını vuran ve yaşam koşullarımızın gelişimine pek çok yönde olumlu katkılar sağlayan, bilim ve teknolojinin gelişimine önayak olan temel öğelerden biri olarak karşımıza çıkmaktadır. Yarı-iletken teknolojisi bilgisayarımızın içinde mikroişlemci, hafıza elemanı olarak kullanıldığı gibi ayrıca komünikasyon sistemlerinde, otomobillerde, uçaklarda, elektrikli ocaklarda, hatta buzdolaplarında bile kullanılmakta.

Yarı-iletken teknolojisi 1960'lı yıllarda birkaç yüz transistörü içeren yapılardan (SSI, Small Scale Integration) 2000'li yıllarda milyonlarca transistörden oluşan entegrelere (VLSI, Very Large Scale Integration) kadar 40 sene içinde çok büyük yollar aldı.

1968 yılında, bir kimyacı ve Intel firmasının kurucularından olan Gordon Moore'un söylediği bir sözü hatırlayalım: "Entegre devrelerin içindeki transistör, veya aktif eleman sayısı her 18 ayda iki katına çıkacak." Daha sonra Moore yasası olarak adlandırılan bu söz yaklaşık 30 seneden beri doğruluğunu kanıtlamıştır. Tabii burada biraz düşünmek gerekebilir:) Acaba bu söz mü doğru, yoksa sayın Moore böyle dediği için bunu gerçekleştirmek için var güçleriyle çalışan insanlar mı var yarı-iletken dünyasında? Her iki durumda da, 30 seneden beri aynı hızla gelişen başka bir sektörün var olduğunu sanmıyorum. Yarı iletken teknolojisindeki komplekslik her 18 ayda iki katına çıkmakta ve bu konudaki bilgi birikimi gözönüne alındığında, yakın geleceğimizde de hızından pek birşey kaybetmeyeceğini görülmektedir. Aşağıdaki şekilde, Intel firmasının mikroişlemci kompleksliğinin beş yıllık periyotlar içindeki artışını gözlemleyebilirsiniz.

Kaynak: www.intel.com

Yarı-iletken endüstrisindeki Moore yasasına sadık kalma azmi, teknolojinin sınırlarının zorlanmasına yolaçtı. Pek çok üretici, en küçük transistör boyutu veya bağlantı hatlarının genişliği olarak tanımlanan (Feature size) 0.18 micron teknolojisine geçti. Önümüzdeki bir-iki sene içinde 0.10 micron teknolojisine geçmek için çalışmalar bütün hızıyla sürüyor. Yine aynı firmalar, 200 mm wafer çaplı üretimlerini 300 mm'ye daha sonrada 400 mm'ye çıkarmaya hazırlanıyor. En son okuduğum bir yazıda Intel'in 2003 yılında geçmeye hazırlandığı 300 mm teknolojisine bir yıl erken yani 2002 yılında geçeceği ifade ediliyor. Japon Super Silicon Crystal Institute Corp. 400mm veya daha büyük çaplı wafer üretimini 2004'e kadar bitirmeyi hedefliyor.

İsterseniz, burada küçük bir parantez açıp, entegre devrelerin nasıl üretildiğine göz atalım. Silindirik ve tek katlı kristallerden oluşan saf silikon külçeler özel makinalarda kesilerek, entegrenin yapılacağı ince yuvarlak bir katman haline getirilirler. 600 ile 800 micron kalınlığındaki bu ince katmana wafer (silisyum pul) adı verilir. Bu ince katmanın üzerine litografik işlem vasıtası ile üretilecek devrenin kare şeklindeki geometrik deseni aktarılır. Bir wafer üzerine 50 ile 2000 adet entegre üretilebilecek şekilde kopyalama yapılabilir. Aşağıdaki şekilde bir wafer üzerine kopyalanmış kare şeklindeki entegreleri görebilirsiniz. Burada aklımıza ilk gelen soru wafer’ın niye kare şeklinde olmadığıdır.

Silikon külçenin üretim yöntemi wafer’in yuvarlak olmasına sebep olur. Silikon külçe, içerisinde erimiş saf silicon bulunan bir kazandan yavaş yavaş döndürülerek çekilmesi ile elde edilir. Ayrıca, wafer kare şeklinde olursa üretim aşamasında kenar bölgelerinde bozukluk meydana gelme olasılığı yuvarlak şekle göre daha fazladır. Wafer’in çapını büyütmekle kenarlarda meydana gelen israfı azartırken, üreteceğimiz entegre sayısını da arttırmış oluruz. Mesela, basit matematikle, 200 mm wafer çapından 300 mm wafer çapına geçmekle, üreteceğimiz entegre sayısının 2 kattan fazlaya çıkarmış oluruz.

Bugün satın alabildiğimiz bir entegrenin 18 ay sonra çıkan ve iki kat kompleks olan yeni versiyonunu da aynı fiyata satın alabildiğimizi görüyoruz. Ama bu kompleks entegrelerin yapıldığı, yüksek üretim gücü olan fabrikaların kurulması ve işletimi yakın gelecekte çok zorlaşacak gibi görünüyor. Şu anda bir VLSI fabrikası kurmanın maliyeti yaklaşık 5 milyar dolar civarında. Yakın gelecekte bu maliyetin 10 Milyar doları aşacağı öngörülüyor.

Sonuç olarak, 1975'li yıllardan günümüze, yarı-iletken teknolojisindeki gelişmeleri özetleyen aşağıdaki tabloyu ele aldığımızda, gelecekte   hangi sistemler ile karşılasacağımız hakkında fikir edinebiliriz.

Not: Gordon Moore, “Entegre devrelerin içindeki transistör, veya aktif eleman sayısı her 18 ayda iki katına çıkacak” sözünü 1995 yılında, önümüzdeki seneler için, 18 aylık zamanı 24 aya çıkararak, değiştirmiştir. Ehh, artık o kadar da olacak :)

Nahit Emanet