Elektronik cihazlarda temel işlevselliği sağlamak, verileri işlemek, depolamak ve iletmek gibi önemli fonksiyonların yürütülmesine imkân veren en önemli bileşenler, yarı iletken devre elemanlarıdır. Günümüzün yarı iletken devre elemanlarının büyük çoğunluğunu entegre edilmiş çip veya mikroçip olarak da adlandırılan entegre/tümleşik devreler oluşturmaktadır. Mikroçipler; transistor, diyot, kapasitör, direnç gibi binlerce devre bileşeninin, katmanlı ince bir yarı iletken malzeme plakası üzerinde yerleştirilmesiyle üretilmektedir. Günümüzdeki milyarlarca bileşen içeren mikroçipler, birkaç milimetrekare kadar küçük bir alanda paketlenebilmektedir.
Temel olarak mikroçiplerin ve diğer yarı iletken bileşenlerin, günlük hayatımıza ve teknolojiye olan etkilerinin yanında doğrudan yarattıkları ticari değerin büyüklüğü de her geçen yıl artmaktadır. World Semiconductor Trade Statistics verilerine göre 2021 yılında, yarı iletken sektörünün market değeri bir önceki yıla göre yüzde 26,2 artarak 555 Milyar dolar seviyesine ulaşmış, yaklaşık 1,15 trilyon yarı iletken bileşenin de satışı gerçekleşmiştir. Yüzde 7,1 yıllık büyüme oranı ile 2030 yılında yarı iletken endüstrisi market değerinin 1 trilyon doları aşması beklenmektedir.
Uygulama alanları arttıkça yarı iletken bileşenler de çeşitlenmektedir. Algılama, haberleşme, güç yönetimi gibi alanlarda ve gittikçe artan hesaplama ihtiyaçlarının karşılanmasında, bu bileşenlerin kullanımı da yaygınlaşmakta ve artmaktadır. Yarı iletken bileşenler, sistemlerin yalnızca performansını değil, enerji verimliliğini ve güvenliliğini de belirleyen önemli etkenlerden biri haline gelmişlerdir. Elektrik üretimi ve dağıtımı, su temin ve dağıtımı gibi kritik alt yapıların işletme ve yönetiminde, dijital bankacılık ve otonom sürüş özelliğine sahip araçlar gibi uygulamalarda, yarı iletkenler vazgeçilmez ve hayati öneme sahip unsurlardan biri halini almıştır.
TARİHÇE
1958 yılında Texas Instruments şirketinde elektronik mühendisi olarak görev yapan Jack Kilby; transistör, direnç ve kapasitör bileşenlerini yarı iletken bir malzeme üzerinde birleştirerek ilk hibrit mikroçip devresini geliştirmiştir. Bu buluşu ile modern teknolojinin olağanüstü yolculuğunu başlatan Kilby, 2000 yılında Nobel Fizik Ödülüne layık görülmüştür.
Kilby’nin buluşunun ardından 1959 yılında Fairchild Semiconductor kurucusu ve daha sonraki yıllarda Intel’in kurucu ortağı olacak fizikçi Robert Noyce tarafından silikon tabanlı monolitik çip geliştirilmiştir. Noyce, bu çalışması ile kişisel bilgisayar devrimi başlatmış ve Silikon Vadisinin isim babası olmuştur. Noyce’un mikroçip teknolojisindeki çalışmaları, insanlık tarihi için önemli bir dönüm noktası olan Apollo programına da teknolojik katkı sağlamıştır.
NASA’nın aya insan gönderme amacıyla başlattığı Apollo programında, MIT laboratuvarlarındaki tasarımcılar tarafından navigasyon amaçlı bilgisayarlar geliştirilmiştir. 1960’lı yıllarda güvenilir ve maliyet etkin olan transistor teknolojisini kullanan tasarımcılar, yaklaşık bir sene boyunca gerçekleştirdikleri simülasyonların ardından aya yolculuk gibi önemli bir görevde kullanılacak bu bilgisayarların yeterli hesaplama gücüne sahip olmadığını değerlendirmiştir. O günlerde henüz gerekli testleri tamamlanamamış, güvenilirliği konusunda büyük soru işaretleri olan ama yine de gelecek vadeden mikroçipleri kullanmak için NASA’dan onay alınmıştır.
NASA’nın dört yıl boyunca dünyanın bir numaralı çip alıcısı olmasının ardından Fairchild Semiconductor çalışanı Gordon Moore daha fazla bileşen ile entegre devrelerin tasarlanmasına yönelik bir makale yazmıştır. Moore, entegre devre üzerinde konumlandırılan transistör sayısının her iki yılda iki katına çıkacağı ve maliyetlerin de aynı süre içinde yarı yarıya düşeceğini öngörmektedir. Bu iddia 10 yıllık bir süreçte doğruluğu kanıtlanınca Moore Yasası olarak adlandırılmaya başlanmıştır.
Moore Yasası, yıllar boyunca transistör boyutları 45 nm ve üstünde olan çiplerde geçerliliği korumuş son yıllardaki teknolojik gelişmelerle artık geçerliliğini yitirmiştir. Moore Yasası bellekleri ve mikroişlemcileri desteklerken, analog fiziksel dünya ile arayüz oluşturma noktasında aynı şekilde ölçeklenmemektedir. Radyo frekansı (RF) cihazları, güç yönetimi alt sistemleri, pasif bileşenler, biyoçipler, sensörler, aktüatörler, LED’ler, lazerler, fotonik entegre devreler, mikro-elektromekanik sistemler de artık günümüzün yarı iletken ürünlerinde önemli bir rol oynamaktadır. Dolayısıyla, değer katmak için analog işlevlerin CMOS teknolojilerine entegre edilmesine ihtiyaç vardır. Bu çipler Moore’dan Daha Fazlası (More Than Moore) olarak adlandırılmaktadır.
Moore’dan daha fazlası çiplerin farklı malzemelere ve benzersiz yapılara sahip olması geleneksel tasarım ve üretim yöntemleri için temel teknik zorlukları beraberinde getirmektedir. Birçok durumda yarı iletkenler, daha büyük işlem teknolojisi için geliştirilen araçlar ve süreçler kullanılarak üretilmektedir. Analog devrelerin küçük geometrilerde üretilememesi, yarı iletkenler için güç üretimi ve yönetiminin önemli bir unsur olmasının getirdiği zorluklar tasarım yöntemlerinde farklı çözümler geliştirilmesine sebep olmuştur. Bazı çipler, büyük yanal boyutlara sahip ince dikey yapılarla tasarlanırken, bazıları Galyum Nitrür (GaN) ve Silisyum Karbür (SiC) gibi geniş bant-boşluk enerjili yarı iletkenleri kullanmaktadır. Güvenilirlik, bozulma etkileri ve üretim süreçlerinin değişkenliğinden kaynaklı zorlukları ele almak için gelişmiş tasarım teknolojilerine ihtiyaç vardır.
YARI İLETKEN BİLEŞENLERDE TEKNOLOJİ EĞİLİMLERİ
Yapay Zekâ
Yapay zekânın ortaya çıkması, yarı iletken endüstrisi için önemli bir oyun değiştirici unsur olmuş ve 2030’a kadar da bu endüstrinin büyümesi için itici güçlerden biri olacağı öngörülmektedir.
Yapay zekânın veri merkezlerinde kullanılmasının yanı sıra edge (uç) hesaplamalarında da yapay zekânın kullanımı giderek artmaktadır. Nvidia, Intel ve Qualcomm gibi yarı iletken pazarı liderlerinin yanı sıra Google, Amazon, Facebook, Tesla, Huawei gibi çoğu teknoloji şirketi, yapay zekâ çipleri geliştirmektedir.
Yeni oyuncular, mevcut pazar liderlerine meydan okumakta ve yatırımcılar AI çip şirketlerine önemli yatırımlar yapmaktadır. Deloitte tarafından yapılan araştırmalarda, Yapay zekânın ulusların rekabet etmek için yeni nesil süper gücü haline geleceğini ve Yapay zekâ çiplerinin ise bu süper gücü destekleyecek en önemli bileşen olacağı belirtilmiştir.
Yapay zekânın bir alt alanı olan derin öğrenme teknolojisinin öğrenme modelleri giderek daha büyük ve karmaşık hale gelmekte, bu da her geçen gün daha fazla hesaplama gücü gerektirmektedir. 2012 yılı itibarıyla derin öğrenme faaliyetlerinde “Accelerator” adı verilen hızlandırıcılar CPU’ların yerini almıştır. Çok hızlı işlem yapabilen bu işlemcilerde, en çok kullanılan hızlandırıcı türü Grafik İşlemci Birimidir (GPU). Gerçek zamanlı yüksek çözünürlüklü grafikleri işlemek için kullanılmasına ek, yüksek seviyeli paralel veri işleme uygulamalarında da kullanılmaktadır. Yapay zekâ tabanlı uygulamaların artması sebebiyle çip teknolojisinin yapay zeka işlemlerini daha etkin bir şekilde gerçekleştirecek şekilde ilerlemesi beklenmektedir. Tüm bu gelişmeler ve öngörüler doğrultusunda yapay zekâ teknolojisindeki ilerlemeler, çip endüstrisinin gelişmesinde kaldıraç etkisi yaratmaktadır.
ELEKTRİKLİ VE OTONOM ARAÇLAR
Otomotiv endüstrisi yıllık %11-%15 büyüme oranı ile önümüzdeki yıllarda en yüksek büyümeye sahip olacak birisi olarak görülmektedir. Yapılan araştırmalara göre, 2030 yılında satılacak araçların yüzde 39’unun tamamen elektrikli araçlardan oluşacağı, pazar büyüklüğünün ise 113 milyar dolar olacağı beklenmektedir.
Günümüzde modern bir araçta ortalama olarak toplam değeri 500 ABD Doları civarında olan yaklaşık 1500 çip bulunmaktadır. 2030 yılında ise bir elektrikli araçta 3000 çipin olması beklenmektedir.
Güvenlik ve bilgi-eğlence sistemlerinde otomasyonun artırılması ile mikro denetleyici, mikro işlemci, füzyon işlemciler, çip üzerine sistemler (SoCs), ASIC, bellek, ekran sürücüleri, sensörler, analog ve güç elektroniği bileşenlerinin de kullanımı artmaktadır.
Günümüzdeki araçlarda yer alan birçok mekanik yapının gelecekte elektroniğe dönmesi beklenmektedir.
5G, 6G HABERLEŞME
Haberleşme sektörü, bilgisayar sektörüyle birlikte yarı iletken pazarının en büyük payına sahip ve yıllık kar miktarı 200 milyar doları civarındadır. Pazarın yüzde 90’ından fazlası, yıllık satış miktarı 1,5 milyar olan mobil telefonlar sebebiyle kablosuz iletişimdir. Bu pazar, büyük oranda akıllı telefon markaları tarafından yönetilmektedir. 2 nm ve civarındaki işlem boyutları için kurulması planlanan fabrika maliyetlerini ekonomik olarak gerekçelendirecek büyük pazar hacmi bu sektörde bulunmaktadır.
Mobil iletişim teknolojisinin beşinci nesil standardı olan 5G, önceki nesil 4G LTE’ye göre çok daha yüksek veri hızlarını (150 mbps’ye karşı 20 Gbps), daha düşük gecikme süresini (60 ms’ye karşı 1 ms) ve daha fazla cihaz için yüksek bağlantı hacmini desteklemektedir. 5G altyapısı bulunan bir cep telefonunun çip sayısı bir önceki nesil cep telefonlarına kıyasla 1,4 kat daha fazla olmakla birlikte 5G çip setinin piyasa değeri, 4G’yi destekleyen çip setlerine göre çok daha fazladır.
5G sadece cep telefonlarında değil, endüstriyel otomasyon ve otomotiv sektörü başta olmak üzere birçok potansiyel uygulamaya sahiptir. 5G’nin ardından yeni nesil iletişim teknolojisi olarak adlandırılan 6G’de 2030 yılında kullanıma sunulmak üzere geliştirilmektedir. 6G’de çok yüksek veri iletim hızları ve çevreye karşı hassasiyetin sağlanması beklenmektedir. 5G ve 6G’nin hızla yaygınlaşmasıyla yarı iletken bileşen ihtiyacının da giderek artması kaçınılmaz olacaktır.
KUANTUM BİLİŞİM
Kuantum bilgisayarlar, geleneksel bilgisayarlardan farklı olarak kuantum mekaniği prensiplerini kullanarak bilgi işleme yapabilen cihazlardır. Kuantum bilgisayarda bilgiyi kubit biçiminde işleyen çipler bulmaktadır. Bu çipler, kuantum bitlerinin (kubit) kararlı bir şekilde sınıflandırılması, kontrol edilmesi ve kuantum hesaplama algoritmalarının yürütülmesi için gerekli olan bileşenleri içerir. Klasik bir bilgi işlem bitinin değeri 0 veya 1 olabilir, fakat bir kubitin değeri 0,1 veya her ikisi olabilir. Bu durum, kuantum bilgisayarlara denklemleri ve algoritmaları klasik bilgisayarlardan katlanarak daha hızlı işleme yeteneği verir. Kuantum bilgisayarlar veri merkezlerinde yeni yeni kullanıma alınmaktadır. Bu teknoloji halen operasyonel maliyetleri ve güvenlik benzeri engelleri aşma yönünde ilerlemektedir.
FOTONİK TÜMDEVRELER VE SİLİKON FOTONİK
Çip üretim teknolojisindeki son gelişmeler sayesinde 5nm işlem boyutunda üretim mümkün olmuştur. Diğer yandan, çiplerde birim alan üzerinde yer alan transistör sayısının her iki yılda iki katına çıkacağını öngören Moore Yasasının fiziksel sınırlamalar nedeniyle geçerliliğini kaybedeceğine yönelik görüşler bilim adamları ve sektör uzmanları arasında yaygınlık kazanmaya başlamıştır. Bu sebeple performans artışını sağlayacak yenilikçi çözümler önerilmektedir. Bunlar arasında da belli uygulamalara yönelik geliştirilmiş Fotonik Özel Amaçlı Çipler (Photonic Application Specific Integrated Circuit/ASIC) ve silikon fotonik teknolojileri öne çıkmaktadır.
İçerisindeki sinyal iletimini elektrik akımı yerine fotonlar ile gerçekleştiren ve üzerinde ışık sinyallerini algılayan, dönüştüren ve/veya işleyen bileşenler bulunduran yapılar fotonik çipler olarak adlandırılmaktadır. Silikon fotonik ise ışık sinyallerinin çipler arasında veya aynı çip içinde Yalıtkan Üstü Silikon (Silicon On Insulator/SOI) yapısı kullanılarak iletilmesini tanımlamak için kullanılır.
Fotonik çiplerin, haberleşme, veri merkezleri, sensörler ve kuantum hesaplama gibi özelleşmiş uygulamalarda kullanımı gittikçe artmaktadır. Küresel fotonik çip ticari pazar büyüklüğünün 2030 yılına kadar yıllık ortalama yüzde 25-30 arasında bir oranda büyüme kaydedeceği ön görülmektedir.
Fotonik çiplerin büyük ölçekli matris işlemleri gibi genel amaçlarda kullanılan ve yüksek işlemci gücü gerektiren işlemlerde de yüksek sinyal iletim hızı, düşük gecikme süresi, düşük enerji tüketimi gibi avantajlarıyla performans olarak öne çıkabildiğini gösteren çalışmalar da bulunmaktadır. Bu özellikler, fotonik çipler ve fotonik/elektronik hibrit çipleri geleceğin kritik teknolojilerinden biri yapmaktadır.
YARI İLETKEN MALZEME TEKNOLOJİLERİ
Çip üretim teknolojisi, yarı iletken teknolojisindeki ilerlemelerle sürekli olarak gelişmektedir. Bu ilerlemeler sonucunda daha güçlü, daha hızlı ve verimli çipler üretilmektedir. Çip üretiminde 1950’lerden beri yarı iletkenler için birincil malzeme silisyumdur.
Yarı iletkenlerde önemli bir parametre olan bant boşluğu enerjisi, silisyumda 1.1 eV iken, geniş bant-boşluğu enerjili (WBG) yarı iletkenlerde silikonun iki veya üç katı bant boşlukları bulunmaktadır. Bir malzemenin bant boşluğu enerjisi, elektronların valance bandından iletim bandına geçmesi için gereken enerjiyi belirler.
Yarı iletken sektöründe uzun yıllar hakimiyetini koruyan silisyum, gelişmekte olan bazı özel uygulamalarda performans sınırına ulaşmaktadır. Geniş bant-boşluğu enerjili yarı iletkenler, daha fazla güç gerektiren, yüksek frekans uygulamalarında düşük bant-boşluğu enerjili yarı iletkenlerle karşılaştırıldığında yüksek sıcaklıklarda çalışarak daha verimli performans avantajı sağlamaktadır.
Özel uygulama alanları için günümüzde yaygın olarak GaN (Galyum Nitrür) ve SiC (Silisyum Karbür) temelli geniş bant-boşluğu enerjili yarı iletkenler kullanılmaktadır. Bu malzemelerin bant aralıkları silisyumdan yaklaşık üç kat fazladır. GaN’ın 3.2 eV, SiC’in 3.4eV bant-boşluğu enerjisine sahip olması daha yüksek gerilimleri destekleyebileceği anlamına gelmektedir fakat iki teknoloji arasında kullanım alanlarını etkileyen bazı farklılıklar vardır.
GaN’ın daha yüksek elektron hareketliliği, yüksek performanslı uygulamalar için daha uygun hale getirmektedir. Tüketicilerin uzun pil ömrü talebi, elektronik cihazların daha hızlı şarj edilmesi ihtiyacı, elektrikli araçların geliştirilmesi ve elektrikli cihazlara yönelik beklentilerin artması ile yüksek performansl, düşük maliyetli güç dönüştürme ürünlerine ihtiyaçlar artmıştır. GaN teknolojisi, hızlı anahtarlama yeteneğine sahip, açma ve kapatma arasında yüksek hız gerektiren, daha yüksek verimlilik ve güvenilirlik sağlayan cihazlar için idealdir. GaN tabanlı çipler, gigahertz aralığında anahtarlama yapan RF cihazlarıda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu özellikleriyle GaN, yeni nesil 5G ağlarında RF uygulamalar için seçilen teknoloji olma yolundadır.
SiC, 3 eV geniş bant aralığı ve silisyuma göre yüksek ısı iletkenliği ile araç şarj istasyonları, veri merkezleri, güneş enerjisi tasarımları, demiryolu çekiş sistemleri, rüzgâr tribünleri, endüstriyel ve sağlık görüntüleme sistemleri gibi yüksek frekans anahtarlama gerektirmeyen fakat yüksek gerilim Şekil 11: SiC v e GaN tabanlı y arı iletkenlerin uygulama alanları altında çalışma ve etkin ısı dağılımı gerektiren uygulamalarda tercih edilmektedir. Şekil 11‘de bu yarı iletkenlerin uygulama alanları belirtilmiştir.
Kablosuz uygulamalar için geliştirilmiş önemli bir yarı iletken teknolojisi ise Silisyum Germanyumdur (SiGe). Yüksek güç ve frekans gerektiren durumlarda düşük gürültü seviyesi ile kablosuz bilgi aktarımı, RF alıcı – vericiler, fiber optik, telekomünikasyon ve otomotiv sektörü için çeşitli uygulamalarda SiGe tercih edilmektedir.
GaN’ın yüksek elektron hareket kabiliyetine rağmen düşük termal iletkenliği sebebiyle bu yarı iletkenin kullanıldığı uygulamalarda lokalize sıcak noktalar oluşturmaktadır. Bu durum, uygulamada performans kaybına yol açmasının yanı sıra cihazın uzun vadede güvenilirliğini tehlikeye atmaktadır. Bu nedenle; uygulamalarda etkili termal yönetim çözümleri arayışı sonucunda, SiC’a göre altı kat daha fazla yüksek termal iletkenlik ve yüksek mukavemet özelliklerini içinde barındıran sentetik elmas ile GaN’ın entegrasyonu konusunda hem akademik hem de endüstriyel oyuncular tarafından araştırmalar yürütülmektedir.
ASELSAN VE YARI İLETKEN TEKNOLOJİLERİ
ASELSAN ve TÜBİTAK BİLGEM tarafından Türkiye’nin ilk milli işlemcisi ÇAKIL geliştirilmiştir. Geliştirilen işlemci 65 nanometre (nm) üretim teknolojisi ile TSMC tarafından üretilmiş ve prototip seviyesinde paketlenmiştir. ÇAKIL işlemcisi 400 MHz hızında çalışmakta olup RISC-V IMAFD buyruk kümesini desteklemektedir. Tek çekirdek bir işlemci olan ÇAKIL’da ayrıca SPI, UART, JTAG gibi düşük hızlarda çalışan arayüzler ve PLL devreleri bulunmaktadır. TÜBİTAK-GzIS ve Embedded Linux işletim sistemlerini destekleyen işlemcinin; atış kontrol, insansız hava aracı, güdüm ve otopilot, uçuş kontrol, işaret işleme ve görev yönetimi amaçları ile kullanılabileceği değerlendirilmektedir. ÇAKIL Projesinde elde edilen bilgi birikimi neticesinde çok çekirdekli ve yapay zekâ işlemlerini hızlandıran bir versiyon üzerinde çalışmalar devam etmektedir.
ASELSAN’da, radar ve elektronik harp projelerinin kritik yapıtaşlarını oluşturan MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) devreler geliştirilmektedir. Bu çalışmalar kapsamında SiGe, GaN, GaAs teknolojileri kullanılarak Yüksek Güçlü Güç Yükselteçler, LNA’lar, FrontEnd’ler, Mikserler, Beamformer’lar, ChipSetler, Faz Kaydırıcılar, Zayıflatıcılar, Limitleyiciler, Anahtarlar, Güç Dedektörleri gibi ürünler yerli ve milli olarak tasarlanmış ve üretilmiştir. Bu ürünler birçok farklı radar ve elektronik harp projesi için çoklu üretimler yapılarak kullanıma alınmıştır.
Yarı iletken algılayıcı malzemeler kullanılarak üretilen dedektörler, yarı iletken malzemenin algılama yaptığı dalga boyu aralığına göre SWIR, MWIR veya LWIR bantlarında algılama yapabilmektedir. ASELSAN tesislerinde kurulu olan mikroelektronik üretim altyapısında İndiyum Galyum Arsenit (Indium Gallium Arsenide, InGaAs) bileşik yarı iletken malzeme tabanlı SWIR kızılötesi dedektörler, LWIR ve MWIR bandında algılama yapan Cıva Kadmiyum Tellür (Mercury Cadmium Telluride, MCT) soğutmalı kızılötesi dedektörler, MWIR bandında algılama yapan Tip II Süperörgü (Type II Superlattice, T2SL) bileşik yarı iletken malzeme tabanlı soğutmalı kızılötesi dedektörler, LWIR bandında algılama yapan Vanadyum Oksit (VOx) aktif malzemeye sahip Mikrobolometre tipi soğutmasız dedektör faaliyetleri yürütülmektedir. Bununla birlikte III-V ve II-VI grubu yarı iletken algılayıcı malzeme büyütme yeteneği ve altyapısı da ASELSAN bünyesinde bulunmaktadır.
ASELSAN haberleşme cihazlarında kullanılan çeşitli RF bileşenler, System in Package ve System on Chip formunda RF entegre devreleri olarak geliştirilmektedir.
ASELSAN İŞTİRAKLERİ
ASELSAN’ın yarı iletken teknolojileri üzerine çalışan iştiraklerinden birisi, ASELSAN Bilkent Micro Nano Teknolojiler Endüstri ve Ticaret Anonim Şirketidir (AB Mikro Nano A.Ş.). Şirket, RF ve fotonik yarı iletken teknolojilerinin geliştirilmesi, uygulanması ve üretilmesi amacıyla 2014 yılında, Ankara’da kurulmuştur.
ASELSAN’ın ana hissedarı olduğu Mikroelektronik Ltd. Şti. (MKR-IC) Uygulamaya Özel Tümdevre (ASIC) çözümleri sağlamak amacıyla İstanbul‘da kurulmuştur. MKR-IC, müşteriye özel tasarım gereksinimlerinin belirlenmesiyle, başarılı ASIC tasarımı yapmaktadır. Müşteriye özel yaklaşımı ile maliyet optimizasyonu ve verimlilik hedeflerini gerçekleştirme amacındadır. MKR-IC faaliyet gösterdiği alan ve yaklaşımlarıyla müşterileri için çip krizinde kritik roller oynayacaktır.
