TSMC 5 nm yongaların üretimine başladı, %15 performans getirisi var

Intel daha 14+++++++ ile kendini avutsun.

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.

Bakırdan daha iyi iletken olarak gümüş var. Elimizde en iyi diyeceğimiz 4 metal iletkenlik sırasına göre gümüş, bakır, altın ve alüminyum. Bu maddelerin iletkenlik ve özdirenç katsayıları şöyle. (10^7 ve 10^-8 olarak). Alüminyumdan iyi birkaç malzeme var ama hem çok nadirler hemde diğer nitelikleri hiç uygun değil.

Gümüş : 6,3 - 1,6
Bakır : 5,9 - 1,7
Altın : 4,3 - 2,4
Alümi : 3,6 - 2,8

Görüldüğü gibi gümüş hem en iyi iletken hem de içlerinde en düşük direçli materyal. Ancak az bulunuyor, pahalı ve işlemesi zor. İkinci olan bakır ise nitelik olarak hem pek geri kalmıyor, hem bol ve ucuz, hem de işlemesi kolay. Bu yüzden devrelerde gümüş yerine bakır tercih ediliyor. Altın ikisinin epey gerisinde ama korozyona dayanıklı oluşu nedeni ile genellikle pin ve kontak yerlerinin kaplanmasında kullanılıyor. (gümüşün en zayıf yanı, bu bakımdan en kötülerden biri) Alüminyum ise hem çok bol ve ucuz, hemde korozyona oldukça dirençli. Bu yüzden genelde elektrik iletim şebekesi gibi büyük miktar gerektiren veya dış etkilere açık alanlarda (havai elektrik hatları gibi) tercih ediliyor.

Gümüşün maliyeti yanında çok zayıf korozyon direnci ve BULAŞICI bir metal olması tercih edilmesini engelliyor. Çok kısa sürede korozyona uğrar (paslanır vb) ve diğer elementlerle çok fazla etkileşir. (gümüş para-madde ile duvara çizgi atabilmek gibi) Bulaşıcılığı yüksek olduğundan silisyum kristaline de karışması ve istenmeyen kirliliğe (N tipi katkı atomu gibi) neden olması riski vardır. Bu yüzden bakır en iyi tercih durumundadır.

Geçmişte çiplerde bakır yerine alüminyum kullanılıyordu. AMD bakıra K7 Athlon Thunderbird, Intel ise Pentium III Coppermine çekirdekleri ile geçti. Bundan önceki işlemcilerde frekans ve ısı daha düşük olduğundan alüminyum rahatlıkla istekleri karşılıyordu. Bakıra göre de maliyet ve dayanıklılık avantajı vardı. Alüninyumda paslanır (Korozyon). Ama demir-bakır vb gibi oluşan pas dökülmez. Bir suya demir-bakır-alüminyum çubuklar sarkıtsak üçü de sudaki oksijen nedeni ile paslanır. Demir ve bakırda pas içe doğru ilerledikçe dış kısımları dökülür ve paslanma böyle devam eder. En sonunda eriyip tamamen biterler. (demir daha hızlı)

Alüminyumda ise pas dökülmez. Koruyucu film kaplaması gibi çok sağlam bir tabaka oluşturur. Tabaka belli bir kalınlığa ulaşınca iç kısımlarda pasın ilerlemesi durur ve sağlam pas tabakası bir zırh gibi alüminyum nesneyi korozyona karşı korur. Dışarıdan fiziksel bir etki ile yerinden sökülmedikçe böyle kalır. İşlemcilerde bu avantajı nedeni ile kullanılıyordu. (+maliyet avantajı) Alüminyum iletkenin etrafında oluşan koruyucu tabaka bir yalıtkan işlevi görüyordu. (Kablo plastik kaplaması gibi). Çip içinde olduğundan fiziksel etki ile sökülmesi de söz konusu değildi. Üstelik bu tabaka oldukça iyi yalıtkandır ve işlemcilerin 3-5 volt ve yüksek akım değerleri ile çalıştığı zamanlarda daha da önemliydi.

Ancak hem iletkenliği daha az (bakırın % 61'i) hem de iç direnci daha yüksek olduğundan (bakırdan %65 yüksek) hızlı işlemcilerde kullanım alanını kaybetti. Daha az iletkenlik ve daha yüksek direnç nedeni ile daha fazla ısıya neden oluyor ve iletim kayıplarını telafi için daha yüksek voltajda çalışma gerektiriyordu. Bu durum iyice hızlanan ve transistör sayısı çok artan işlemcilerde kullanımını anlamsız hale getirdi. (acaip ısılar görebilirdik)

Nihayetinde komlex bir iletken yapı (optik, nanotüp vb) kullanıma sokulmadıkça bakırın yerini alabilecek bir atom veya molekül yok. Atom kesin yok da molekül (alaşım-bileşim) de henüz bulunmuş değil. Yani sadece iletkenlik-direnç olarak değil, bolluk, maliyet, kolaylık ve diğer niteliklerin toplamı açısından.