İnsan saçının çapı 70,000 nanometre, çevresi ise 220,000 nanometredir. 5 nanometrelik bir işlemle çip üretmek, bir saç teli boyunca 44,000 yol inşa etmeye benzer.

Yazar: Liu Zhirong Kaynak: Başlık@Iron Tower-Liu Zhirong

15 Mayıs 2020'de Amerika Birleşik Devletleri, Huawei'nin çiplerine yasak getirdi. O zamandan beri çipler Çin halkının geniş ilgisini çekti. Yasak 15 Eylül'de yürürlüğe girdi. TSMC, MediaTek, Qualcomm, Sony, Samsung, SK Hynix ve Micron gibi dünyaca ünlü çip üreticileri artık Huawei'ye çip tedarik edemiyor. 16 Eylül'de Merkezi Disiplin Denetleme Komisyonu resmi internet sitesinde "Huawei'nin çip tedarikinin kesilmesi, Çin çip endüstrisinin cennetine doğru yolculuğunun başlangıcı olabilir" şeklinde bir açıklama yayınladı.

Her gün cipslerden bahsediyoruz, ama cipsin ne olduğunu biliyor musunuz?

1. Çip icadı insan yaşamını nasıl değiştirdi?

23 Aralık 1947'de, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Bell Labs'tan üç bilim insanı, John Baden, William Shockley ve Walter Bratton, germanyum kristal transistörünü icat ederek elektronik dünyasını yarı iletken çağına taşıdılar. Transistörün üç mucidi, 1956 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.

1950'ler yarı iletkenlerin altın çağıydı. Neredeyse tüm yarı iletken malzemeler ve temel süreçler bu dönemde geliştirildi.

18 Ekim 1954'te Texas Instruments, transistörlü radyoyu icat etti. Dört transistörlü bu radyo, cebinize sığacak kadar küçüktü.

12 Eylül 1958'de Texas Instruments elektronik mühendisi Jack Kilby (1923-2005), entegre devreyi icat etti ve 1959'da dünyanın ilk entegre devresi olan bir çipi başarıyla üretti. Bu entegre devre, PNP transistörleri (transistörler), dirençleri ve kapasitörleri bir germanyum çip üzerine kazıyarak ve bunları bir devre oluşturmak için harici kablolarla bağlayarak çalışır. Bu basit entegre devre, çip endüstrisini başlattı, insan bilimini ve teknolojisini yeni bir zirveye taşıdı ve insan yaşam biçimini tamamen değiştirdi.

Çip üretim teknolojisindeki sürekli ilerleme, tek bir transistörün fiyatını büyük ölçüde düşürdü. 1959'da bir çipte 6 transistör vardı ve bu da transistör başına 10 dolara denk geliyordu; 1971'de bir çipte 2,000 transistör vardı ve bu da transistör başına 0.3 dolara denk geliyordu; 2004'te ise bir çipte on milyarlarca transistör vardı ve tek bir transistörün fiyatı bir doların milyarda birine kadar düştü. Çiplerin maliyet performansındaki bu iyileşme, çiplerin sıradan insanların evlerine girmesini mümkün kıldı.

Çip, 20. yüzyılın en büyük icadı olarak kabul edilebilir ve birçok başka icat da çiplere dayanmaktadır. Bugün, çiplerle çevrili bir dünyada yaşıyoruz ve çipler olmadan ilerlemek zor olurdu.

İnsanların günlük hayatı çiplerden ayrı düşünülemez. Cep telefonları, bilgisayarlar ve akıllı saatler gibi akıllı cihazlarda çipler bulunur. Optik modemler, yönlendiriciler, USB flash sürücüler, hafıza kartları ve taşınabilir sabit diskler gibi ağ ekipmanlarında da çipler vardır. Ağ ekipmanlarında ve bilgisayar çevre birimlerinde çipler mevcuttur. Kimlik kartları, pasaportlar, banka kartları, alışveriş kartları, tüketim kartları ve diğer kişisel kimlik kartlarında çipler bulunur. Televizyonlar, hoparlörler, projektörler, şarj cihazları, LED lambalar, elektronik tartılar, klimalar, buzdolapları, mikrodalga fırınlar, indüksiyonlu ocaklar, su ısıtıcıları ve diğer ev aletlerinde de çipler vardır. Erişim kontrolü, izleme, güneş panelleri vb. de çiplere ihtiyaç duyar. Eğer birisi dünyadaki tüm çipleri devre dışı bırakacak bir kod icat etseydi, insan hayatı durma noktasına gelirdi.

Jack Kilby, çipi icat etmesiyle 2000 yılında Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı. Ayrıca el tipi hesap makinesi ve termal yazıcının da mucidiydi. Kilby'ye bilim insanı denildiğinde, mütevazı bir şekilde şöyle demişti: "Bilim insanı, şeyleri açıklayan ve harika fikirleri olması gereken kişidir; ben ise bir problem çözücü, bir mühendisim. Görevim yeni süreçler icat etmek, yeni ürünler üretmek ve icatlardan ve yaratımlardan para kazanmaktır."

2. Çipi anlamak için öncelikle "PN bağlantısını" anlamanız gerekir.

Yukarıda da görülebileceği gibi, diyotlar, transistörler, dirençler ve kapasitörler gibi elektronik bileşenler yarı iletken malzemeler üzerine yapılır ve daha sonra tellerle bağlanır. Bu, entegre devre veya diğer adıyla çip olarak adlandırılır. Çipleri anlamak için öncelikle yarı iletken teknolojisinin çekirdeği olan "PN eklemini" anlamanız gerekir.

Bir yarı iletken malzeme beş değerlikli bir elementle katkılandığında, elektron konsantrasyonu artar ve N tipi bir yarı iletken oluşur; bir yarı iletken malzeme üç değerlikli bir elementle katkılandığında ise delik konsantrasyonu artar ve P tipi bir yarı iletken oluşur. "Delik", kovalent bağdaki elektronların enerji kazanıp kovalent bağın zincirlerinden kurtularak serbest elektronlar haline gelmesinden sonra kovalent bağda kalan boşluğu ifade eder.

P tipi yarı iletken ve N tipi yarı iletken yakın temasa geçtikten sonra, negatif yüklü elektronlar ve pozitif yüklü delikler birbirlerine doğru yayılır; elektron ve deliklerin yayılması, temas yüzeyinde içsel bir elektrik alanı oluşmasına neden olur ve bu içsel elektrik alanı, elektron ve deliklerin geri sürüklenmesini engelleyerek bu yayılmayı önler. Elektron ve deliklerin yayılma hızı ve geri sürüklenme hızı dinamik bir dengeye ulaştığında, P tipi yarı iletken ve N tipi yarı iletken arasındaki temas yüzeyinde bir "PN eklemi" oluşur.

"PN ekleminin" temel özelliği "tek iletkenlik"tir. P tipi yarı iletken uç pozitif elektrot, N tipi yarı iletken uç ise negatif elektrot olarak kullanıldığında, akım PN ekleminden geçebilir; N tipi yarı iletken uç pozitif elektrot, P tipi yarı iletken uç ise negatif elektrot olarak kullanıldığında ise akım PN ekleminden geçemez. Bilgisayarlarda ikili bitlerin kullanımı, "PN ekleminin" performansına bağlıdır. "PN ekleminden" geçen akım "1"i, geçmeyen akım ise "0"ı temsil eder.

"PN eklemi" bir diyottur. İki P tipi yarı iletken arasına bir N tipi yarı iletken yerleştirilirse, yukarıda bahsedilen PNP tipi triyot olan bir triyot oluşur. Elbette, iki N tipi yarı iletken arasına bir P tipi yarı iletken yerleştirilirse, bu bir NPN tipi transistör olur.

Sıradan insanlar çipin "gerçek gövdesini" göremez. Çip, insan kepeği kadar küçük ve insan tırnağı kadar büyüktür. Çok ince olduğu için, harici bir devreye bağlanmadan önce kapalı bir kabuk içinde paketlenmelidir. Bir bilgisayar, televizyon veya başka bir elektrikli cihazı açtığınızda, büyük bir devre kartı görebilirsiniz. Devre kartında birçok elektronik bileşen bulunur. Çok sayıda pine sahip bu elektronik bileşenler çiplerdir. Bu pinler, çipin giriş ve çıkış terminallerine bağlıdır. Bazıları çip paketinin her iki tarafında, bazıları dört tarafında, bazıları ise altta bir matris halinde, 1,000'den fazla pinle yoğun bir şekilde paketlenmiştir.

3. Cips üretmek, yeryüzünü ve tüm yol yapılarını bir pirinç tanesi üzerine oymak gibi mi?

Burada değinilmesi gereken bir kavram var, o da "Moore Yasası". 1965 yılında, dünyaca ünlü çip üreticisi Intel Corporation'ın kurucu ortağı Gordon Moore, tek bir çip üzerindeki transistör sayısının her yıl ikiye katlanacağını öne sürdü. Daha sonra bunu iki yılda bir ikiye katlanacağı şeklinde düzeltti. Bu değerlendirme pratikte temelde doğrulanmıştır. 2011 yılında, bir Intel Core i7 çipinde 2.27 milyar transistör bulunuyordu. Şu anda, bazı üst düzey çiplerdeki transistör sayısı on milyarları aşıyor. Birkaç yıl önce, yarı iletken üreticisi Cerebras Systems tarafından TSMC'nin 16nm işlem teknolojisi kullanılarak üretilen yapay zeka çipi WSE, 1.2 trilyon transistör entegre etmişti!

"İşlem" terimi, çip üzerindeki transistör kapısının genişliğini ifade eder ve bunu genel olarak transistörün boyutu olarak anlayabiliriz. İşlem ne kadar küçük olursa, bir çip üzerinde o kadar çok transistör üretilebilir ve entegre devre o kadar büyük olur.

Çip entegrasyonunun artması sayesinde çiplerin işlem hızı sürekli artmaktadır. Çipin entegrasyon seviyesi ne kadar yüksek olursa, üzerindeki elektronik bileşenler o kadar küçük ve elektronik bileşenler arasındaki kablolar o kadar kısa olur. Akımın geçiş süresi kısalır, enerji tüketimi azalır ve işlem hızı artar.

Bir çipin daha fazla transistör taşımasını sağlamanın üç yolu vardır. Bunlardan biri çip alanını artırmak, diğeri transistörlerin boyutunu küçültmek ve üçüncüsü entegre devreyi üç boyutlu hale getirmektir. Çip alanının artırılması genellikle tercih edilmez çünkü enerji tüketimini artırır ve çipin verimliliğini düşürür. Günümüzde insanlar, bir çip üzerindeki transistör sayısını artırmak için çoğunlukla son iki yöntemi kullanmaktadır.

Çip üretimi mikroskobik dünyaya aittir ve üzerindeki elektronik bileşenler yalnızca birkaç atom veya molekül kadar küçüktür ve nanometre ve angstrom gibi daha küçük ölçü birimleriyle ölçülür. Genel bir cetveldeki en küçük ölçek milimetredir, 1 milimetre 1000 mikrona, 1 mikron 1000 nanometreye ve 1 nanometre 10 angstroma eşittir. İnsan saçının çapı 70,000 nanometre ve çevresi 220,000 nanometredir. 5 nanometrelik bir işlem kullanarak çip üretmek, bir saç teli boyunca 44,000 yol inşa etmeye benzer.

Elektronik bileşenlerin boyutunu küçültmenin bir sınırı vardır, bu nedenle insanlar transistör sayısını artırmak için tek bir çip üzerinde çok katmanlı entegre devreler oluşturmayı düşünürler. Bu, konut binaları inşa etmeye benzer. Tek katlı bir ev az sayıda sakini barındırabilirken, onlarca katlı bir bina çok sayıda sakini barındırabilir. Entegre devrelerin istiflenmesi, bir bina inşa etmekten çok daha karmaşıktır. Binanın her katının düzeni aynıdır, ancak çipin her katmanının devreleri farklıdır ve katmanlar arasındaki bağlantılar son derece karmaşıktır.

Bu metaforu bir adım daha ileri götürelim: Çip üretmek, bir pirinç tanesi üzerinde koca bir dünyayı oyup çıkarmaya benzer ve dünyadaki tüm yollar ve binalar da oyulmalıdır. Yollar çip üzerindeki telleri, binalar ise çip üzerindeki elektronik bileşenleri temsil eder. Bu metafor sayesinde okuyucular, çip üretmenin ne kadar karmaşık ve zor olduğunu hayal edebilirler.

4. Silikonun saflaştırılması, çip endüstrisinin temelidir.

Pek çok yarı iletken malzeme vardır, ancak pratik uygulamalarda bunların %90'ından fazlası silikon kullanır çünkü silikonun erime noktası 1415 santigrat derecedir ve bu da çip üretiminde yüksek sıcaklık işlemlerine olanak tanır.

Silikon kumdan eritilir, ancak çip yapımında kullanılabilen silikon elde etmek için son derece yüksek saflık gereklidir. %99.99 saflıktaki altına altın (4 dokuz) diyoruz, ancak çip yapımında kullanılan silikonun saflığı en az 11 dokuz olmalıdır, yani 1 milyar silikon atomu başına en fazla 1 safsızlık atomu bulunmalıdır. Bu saflıktaki silikon, 1955 yılında Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Bell Labs tarafından rafine edilmiştir. Şu anda bir çipte yüz milyarlarca elektronik bileşen bulunmaktadır ve silikon için saflık gereksinimleri daha yüksektir, en az 13 dokuz. Bu, çip üretiminin temelidir. Silikon saflaştırma teknolojisine hakim olmadan çip üretmek imkansızdır!

Okuyucular, çiplerin yapımında kullanılan silikonun neden bu kadar saf olduğunu sorabilirler. Çip üzerindeki elektronik bileşenler çok küçüktür. Çip 5 nanometrelik bir işlemle üretilirse, 1 nanometrelik safsızlıklar tüm çipi tahrip edebilir. Bir benzetme yapalım. 40 metre genişliğinde bir yolun ortasında 1 metre genişliğinde büyük bir taş varsa, arabalar trafik sıkışıklığına neden olmadan taştan kaçınabilir. Ancak, yol sadece 5 metre genişliğinde ise ve ortasında 1 metre genişliğinde büyük bir taş varsa, arabalar taştan kaçınamaz ve yol tıkanır.

Bu nedenle, çip üretimi sadece yüksek saflıkta silikon gerektirmekle kalmaz, aynı zamanda üretim sürecinin tüm aşamalarının tozsuz olmasını da gerektirir. Saflık seviyesi, bir hastane ameliyathanesinin 100,000 katıdır ve sürecin yarısı vakum ortamında gerçekleştirilir. Bu sayede, çip üretim tesislerinin COVID-19 salgını sırasında salgınla mücadele etmek için kapatılmasına gerek kalmaz, çünkü çalışanlar baştan ayağa korunur ve bazı koruyucu kıyafetler, insan metabolizması ve solunum yoluyla atılan gazların çiplere bulaşmasını önlemek için kendi solunum sistemleriyle bile donatılmıştır.

5. Litografi makinesi aslında entegre devre projektörü müdür??

"Litografi makinesi" adı yanlış çevrilmiş ve oldukça yanıltıcıdır. Birçok kişi, litografi makinesinin tıpkı bilgisayar gravürü gibi fiziksel temas yoluyla kristal silikon yüzeyine entegre devreleri "oyduğunu" yanlışlıkla düşünmektedir. Aslında, çip "oyulmaz", "fotoğraflanır". Bu nedenle, litografi makinesine "entegre devre projektörü" demek daha uygun olur.

Çip üretiminde kullanılan gofret fotolitografi işlem aşamasına girdiğinde, fotolitografi makinesi entegre devre desenini maske aracılığıyla gofretin yüzeyindeki fotoreziste yansıtır. Fotorezist pozlandıktan sonra, pozlanmış alan kimyasal sıvı ile aşındırılır ve ardından temizlenir. Bu şekilde entegre devre deseni ortaya çıkar. Fotolitografi işlemi, geleneksel fotoğrafçılıkla aynıdır. Işık, negatiften geçerek fotoğraf kağıdını hassaslaştırır ve ardından hassaslaştırılmış fotoğraf kağıdı kimyasal bir çözelti içinde geliştirilir ve sabitlenir.

Bir çipin onlarca hatta yüzlerce fotolitografi işleminden geçmesi gerekir ve fotolitografiden sonraki birkaç işlem, paketleme aşamasına geçmeden önce birkaç hafta sürer.

Çip üretim teknolojisi her geçen gün değişiyor, ancak çip üretiminin temel teknolojilerinin çoğu Bell Labs'tan geliyor. Bell Labs'ın bilgi teknolojisi devrimine yaptığı katkı, tarihe sonsuza dek geçecektir.

7. Fotolitografi makinem varsa çip üretebilir miyim?

Birçok okuyucu fotolitografi makinelerine çok ilgi duyuyor ve çiplerin fotolitografi makineleriyle üretilebileceğini düşünüyor. Aslında durum böyle değil. Fotolitografi makinesi çip üretiminde önemli bir rol oynasa da, çip üretimindeki 1,000'den fazla işlemden sadece biridir. Fotolitografi makinesiyle, diğer işlemlere hakim olamazsanız, yine de çip üretemezsiniz.

1961 yılında Amerikan GCA şirketi dünyanın ilk fotolitografi makinesini üretti. Şu anda dünyada 4 ülkede litografi makinesi üretebilen 7 şirket bulunmaktadır: Hollanda'da Asmaier, Amerika Birleşik Devletleri'nde Intel, Super Technology Semiconductor, Rudolf, Japonya'da Nikon ve Canon ve Almanya'da SusiMicro.

Yukarıda da belirtildiği gibi, çip endüstrisinin temeli malzemelerdir, yani silikonun saflaştırılmasıdır. Silikon saflaştırma teknolojisine hakim olmadan, çip seviyesinde saflıkta kristal silikon üretmek ve çip üretmek mümkün değildir.

Dahası, çip üzerinde yüz milyarlarca elektronik bileşen bulunmaktadır. Bu kadar büyük bir devre elle çizilemez. Elektronik tasarım otomasyon yazılımı (EDA) kullanılmalıdır. EDA, birçok doğal disiplinin kapsamlı bir uygulamasıdır ve üç Amerikan şirketi tarafından tekelleştirilmiştir: Kadant, Synopsys ve Mentor Graphics.

EDA, çip üretim sürecinde belirleyici bir rol oynar. Çipin işlevi ve entegrasyonu tamamen EDA'nın tasarım yeteneklerine bağlıdır. Yüksek saflıkta silikon ve fotolitografi makineleriniz olsa bile, EDA olmadan veya EDA'yı nasıl kullanacağınızı bilmeden yine de çip üretemezsiniz.

Yasal Uyarı: Bu makale "IoT IQ"dan alınmıştır. Bu makale yalnızca yazarın kişisel görüşlerini temsil eder ve Sacco Micro'nun ve sektörün görüşlerini yansıtmaz. Yalnızca yeniden basım ve paylaşım amaçlıdır ve fikri mülkiyet haklarının korunmasını destekler. Yeniden basım için lütfen orijinal kaynağı ve yazarı belirtin. Herhangi bir telif hakkı ihlali durumunda, lütfen silinmesi için bizimle iletişime geçin.

Şirket telefon numarası: +86-0755-83044319
Faks: +86-0755-83975897
E-posta: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Yönetici Li

QQ: 332496225 Yönetici Qiu

Adres: Shenzhen, Longhua Yeni Bölgesi, Minzhi Caddesi No. 1079, Zhantao Teknoloji Binası, C Binası, Oda 809