Çip üretimi günümüzde dünyanın en önemli teknolojik hamlesi. Sanayi devrimin itici gücü. Aslında Türkiye’de bilim insanlarımız çok erkenden, daha 1980’lerin başında ilk adımı attılar ve erken tarihte büyük bir başarı ile 100 nanometre çip tasarımı yaptılar. Fabrika bile kuruldu, ama hurdaya çıkartıldı. Peki, Türkiye kaçırdığı fırsatı yakalayabilir mi?
Son 20-30 yılda ise, çevremizde hemen her cihaz akıllı hale geldi. Akıllı demek yarı iletken ya da kısa adıyla çip içeriyor demek. Bu cep telefonundaki yüksek teknolojili çipler olabileceği gibi, kredi kartları, otomobil koltuk ayarları veya sileceklerdeki daha düşük performanslı olanlar da olabilir. Toplamda 169 farklı sektörde çip kullanıldığı raporlanıyor.
Fazla su, fazla elektrik sarfiyatı, hammadde sıkıntısı, mühendis azlığı... Çip üretiminin temel sorunları...
1980’lerin başında ülkemizde 100 nm çip tasarımı yapıldığını biliyor musunuz? O dönem bu projede çalışan elektronik mühendisliği öğrencilerinden Kutsal Anıl’ın bana anlattığı inisiyatifi İTÜ’de Prof. Dr. Duran Leblebici (oğlu şu anda Sabancı Üniversitesi Rektörü) yönetmişti. Anıl kendisi dahil 13 öğrencinin yurtdışında eğitime gönderilmesinin planlandığını ve hükümet değişikliği sonucunda da projenin devam etmediğini anlattı. O zamana kadar giden zamanın gençlerini de yurtdışına kaptırmışız. Karşılaştırma için belirtelim; 1999’da üretilen PC’ler 180 nm çip kullanıyordu. 2003’de 90 nm, 2005’de 65 nm.
Tayvan nasıl çip üretim merkezi haline geldi?
Covid öncesinde çiplerin batıda tasarlanıp, doğuda üretilmesi gibi bir sistem vardı. 1980'lerden bu yana gelen outsourcing'in bir modeli olarak, ölçek ekonomisi çerçevesinde çiplerin üretimi merkezileşmişti. Bugün Tayvan'daki TSMC ve diğerlerinin toplam çip üretiminin 2/3'üne ulaşan üretim kapasitesinin nedeni budur.
Çip üretiminde birkaç darboğaz var. Bunların bir tanesi "fabrika" diyeceğimiz çip üreten makinalar. Burada bir tekel söz konusu. Amerikan hükümetinin de yatırımcısı olduğu Hollandalı ASML en önemli firma.
Çip üretiminde değer zincirine tersten bakarsak, elimizdeki akıllı telefonun içindeki çipler, Apple, Nvidia, Qualcomm vb. şirketler tarafından tasarlanıyor. Tasarlandıktan sonra yarı iletken çipler, TSMC, Intel ya da Samsung gibi şirketlerin fabrikalarında (dökümhane deniliyor) üretiliyor. İşte bu firmaların üretiminde kullanılan yüksek teknolojili makineleri de Hollandalı ASML firması üretiyor.
ASML, EUV (Extreme Ultraviolet Lithogrophy) teknolojisini üretebilen dünyadaki tek şirkettir. Bu teknoloji ortaya çıkmadan önce yarı iletken üretmek için en ileri teknoloji Derin Ultraviyole (DUV) teknolojisiydi. Şirket, EUV Ar-Ge'sine 17 yıl boyunca 6 milyar Euro yatırım yaptı. Çünkü daha küçük çip için EUV gerekli. ASML hala DUV'ye de odaklansa da EUV konusunda tekel.
Çip üretiminde diğer bir sorun; su. 1 tek küçük çip üretmek için 5 litre su kullanılıyor. TSMC, çiplerini üretmek için günde 156.000 ton su kullandığını, bunun da yaklaşık 60 olimpik yüzme havuzunu dolduracak suya eşdeğer olduğunu söylüyor.
Malzeme temini de sıkıntılı bir başka konu. Ukrayna savaşının bir sorun getirip getirmeyeceği konuşulurken, Daha geçen hafta Çin, Galyum ve Germanyum ihracatına kısıtlama getirdi.
Üçüncü sorun, mühendis azlığı. Üstelik aranan mühendisler doktora düzeyinde. Not edelim, 2019 yılında Aselsan, Tübitak ve Tusaş'dan kaybettiğimiz 100+ mühendisi ASML transfer etmişti. Şirkette halen 120 ülkeden 28 bin çalışan olduğu ve Türk çalışanların sayıca en büyük 8.grup olduğu kaydediliyor.
Son olarak çip üretiminde elektrik kullanımının da yoğun olduğunu belirtelim. Bir ada devleti olan Tayvan bu nedenle zaman zaman, özellikle kurak geçen yaz aylarında, sıkıntı yaşıyor.
Covid öncesinde dünyada çip konusundaki düzen “batıda tasarla, doğuda üret” şeklindeydi. Bu ölçek ekonomisi açısından iyi bir modeldi. Ancak Covid döneminde yaşanan tedarik sorunu ölçek ekonomisini fikirlerin alt üst etti. Şimdi yeni fikir “üretim elimde olmalı”.
Covid Çip’de oyunu yeniden kurdurttu
Covid öncesinde dünyada çip konusundaki düzen “batıda tasarla, doğuda üret” şeklindeydi. Bu ölçek ekonomisi açısından iyi bir modeldi. Ancak Covid döneminde dünya tedarik sorunu yaşadı. Bunun bir nedeni insanların evlere kapanması ve dolayısıyla üretimin durmasıydı. Ama diğer bir nedeni, taşımacılık servislerinde —yine üretim kısılması sonucu— aksamalar olmasıydı.
Çip tedarik sıkıntısı birçok sektörü vurdu. Örneğin otomotiv sektörü çipler nedeniyle üretimlerini askıya aldılar. Bu da 1990ların “tam zamanında tedarik” ve “ölçek ekonomisi” fikirlerini altüst etti. Şimdi yeni fikir “üretim elimde olmalı” oldu.
Bu nedenle ülkelerin çip üretimini kendilerine çekmek için büyük teşvikler planladıklarını gördük. Güney Kore 2030’a kadar 450 milyon $ ayırırken, AB önce Covid fonlarından 10 milyar $ planladı. Daha sonra farklı rakamlar duyduk. Örneğin turizm dışında bir geliri ve sanayisi olmayan İspanya birden bire 11 milyar $ ayırdı. Almanya aynı şekilde, zaten Dresden’de mevcut olan mikro elektronik sektörünü daha ileriye götürme planları yaptı.
ABD ise outsourcing ile kaybettiği çip liderliğini geri almak için, geçen yıl 52 milyar $’lık bir teşvik paketi açıkladı. Bu paketi TSCM, Intel, Samsung gibi firmalar kullanacak. Yolsuzluk nedeniyle hapiste olan Samsung veliahtı bile bu uğurda kurtarıldı.
Ancak salgın geçince, fazla tedarik nedeniyle talep aşağıya düştü ve geçen yıl çip fiyatlarında bir gerileme görüldü. Bu nedenle firmaların elini yavaş tuttuğunu görüyoruz. Özellikle Intel ülkelerden sürekli yeni taleplerde bulunuyor. Örneğin Almanya, Magdeburg’da kurulacak olan fabrika için 10 milyar € verecek.
Bu noktada Çin-Tayvan gerginliğini de atlamayalım. Batılı devletlerin kendi topraklarında çip üretimi istemelerinin bir nedeni de bu. Çin'in çipler konusunda casusluk yaptığı iddiaları da sık sık gündeme geliyor.
Türkiye'de çip üretimi: Kaçan büyük fırsatlar
Geldik ülkemizdeki duruma; ülkemizde çip üretimi konusunda ilk adımı Necmettin Erbakan’ın attığı kaydediliyor. İslam Bankası kredisi ile 13 eylül 1976'da 100 milyon TL sermayeli Testaş (Türkiye Elektronik Sanayi Ticaret A.Ş.) ilk fabrika temelini attı. O dönemde Ankara’da çip / transistor - IC fabrikası, Aydın’da da IC / Transistör paketleme fabrikaları kuruldu. Fakat hiçbir zaman üretime geçemedi.
Bir mukayese olması için kaydedelim; bugün dünya çip üretiminin %53'ünü gerçekleştiren TSMC firmasını Tayvanlılar 1987'de ve %17 pazar payı ile diğer bir önemli üretici olan Güney Koreliler Samsung chip / transistör / IC fabrikalarını 1983'te kurdular.
Sonraları takometre üretiminden hatırlayacağımız TESTAŞ, çip üretimi için Amerikan şirketi Exar’dan know-how almıştı. Buralarda çalışacak mühendisler, yurt dışında eğitime gönderildi. Ama yönetimler değişti ve TESTAŞ’ın yarı iletken araştırma ve tasarım birimi olarak 1983 yılında kurulan YİTAL daha sonra TÜBİTAK BİLGEM bünyesinde bir yarı iletken teknolojileri araştırma laboratuvarı haline geldi. Bugün 500 nm ve üstünde çipler üretiyor.
Fabrika hurdaya!
Aydın’daki fabrika 1997 yılında kapandı. Ankara’daki TESTAŞ fabrika ve arazisi 1998’de Teknoloji Geliştirme Bölgesi kurulması amacıyla ODTÜ’ye devredildi. 2008 yılında TESTAŞ tesisleri üzerinde Mikro Elektro Mekanik Sistemler Alanında Araştırma ve Uygulamalar yapan ODTÜ MEMS Merkezi kuruldu. ODTÜ MEMS Merkezi, 2017 yılında 6550 sayılı kanun kapsamında tüzel kişilik kazanarak bilimsel çalışma ve araştırmalarına devam ediyor. Arazinin diğer bölümünde ise 2019 yılında kurulan ODTÜ Teknokent Bilişim İnovasyon Merkezi faaliyet gösteriyor. İlk girişimden 50 yıl sonra, Aydın tesisleri hurdaya çıktı.
Günümüzde savunma sanayiine yönelik olarak yapılan üretimlerin içinde çip tasarımları geliştiren firmalar var. Bunlar teknoparklarda, ODTÜ, İTÜ, Bilkent’te. Bu konuda çalışan sayısının 1.000’i bulmayacağı kaydediliyor. Devlet politikasının olmayışı, elektronik sanayiindeki nitelikli insanların yurtdışına kaybı, bu konuda var olamamızın nedenleri arasında.
Küçük üretimler olsa da, ancak 1 milyon adetlik üretimlerin anlamlı olacağı ve bu durumda, bir örnek verelim, yurtdışından 50 $’a aldığımız çipleri 50 cente mal edebileceğimiz hesaplanıyor.
Mayıs ayındaki seçimden 1 ay kadar önce, hükümet tarafından öne sürülen vaatlerden birisi 65 nm Çip fabrikasıydı. TÜBİTAK BİLGEM ve Katar Hamad Bin Khalifa Üniversitesi arasında yapılan işbirliği ile hayata geçirilen projede, üretim hattının kurulması için gerekli olan 30 milyon dolarlık makine ve ekipmanların, Katar Hamad Üniversitesi tarafından sağlanacağı belirtilmişti. 65 nm yukarıda da belirttik, kötü değil. Ülkemizin farklı ihtiyaçlarının %60-80 aralığını karşılayabileceği kaydediliyor.
Geçen yıl, Cemil. Ş. Türün de Ruslar'la ortak, 90 nm üretim için makina alınabileceğine dair bir projeden bahsetmişti.
Sonuçta, şudur, budur diye bakmadan, bugün başlasak bile, en erken 3-4 yılda verimli işletir hale gelmiş oluruz. Yeter ki başlasın ve ülkemiz bu konudaki teknik bilgileri kapsasın.
Çip alanında ülkemizin ne yaptığına ve dünyadaki duruma şöyle bir göz atalım. Ama önce çipler yani yarı iletkenler konusunda biraz bilgi verelim.
Akıllı ise çip içeriyordur
Elektronik her türlü cihazda bulunan yarı iletkenler (çipler), elektriği bir yalıtkandan daha fazla, saf iletkenden daha az ileten malzemelerdir. Bu da onları “elektrik akımının kontrolü” için iyi bir ortam haline getirir. Elemental yarı iletkenler arasında antimon, arsenik, bor, karbon, germanyum, selenyum, silikon, kükürt ve tellür bulunur. Silikon, en bilineni ve çoğu entegre devrelerin (IC) temelini oluşturur.
Dünyanın en önemli ARGE bölgesine ismini verecek kadar önemli olan Silikon tabanlı çipler gelmeden önce 1930-1940'larda elektronik cihazlar, vakum tüpleri ve valflerle çalışıyordu. Bu, oda büyüklüğünde bilgisayar anlamına geliyor ve enerji tüketimi de çok yüksek oluyordu.
1947'de yarı iletken transistörler piyasaya sürüldü. Bununla daha karmaşık ve hızlı elektronik devreler yapmak mümkün hale geldi. Ancak ilk günlerde transistörler ayrı bileşenler olarak kullanılıyordu. Bu da çok fazla bileşen olması sorununa yol açtı. 1950'li yılların sonlarında bunların paketlenmesi fikri yani mikroçipler ortaya çıktı. Tek bir yarı iletken malzeme üzerinde kapasitörler, dirençler gibi tüm elektrikli bileşenler bir araya getirilip, paketlendi.
Transistörün icadı 20. asrın en önemli elektronik-teknolojik devrimidir. Bu sayede günümüze kadar gelen elektronik, bilgisayar, yazılım, haberleşme, savunma ve havacılık, robotlar, yapay zeka ve uzay gibi tüm teknolojilerin önü açıldı.
Çipler nasıl çalışır?
Bilgisayar çipleri, silikon ve metal kullanılarak oluşturulur ve üç ana işlevi tamamlamak için "makina dili" adı verilen programlamayı takip eder. Entegre devreler, makina dilini okuyacak, çevirecek ve eyleme geçirecektir. Üç ana işlev şunları içerir:
- Bir mantık birimi aracılığıyla matematiksel denklemleri gerçekleştirme
- Belleği bir yongadan diğerine taşıma
- Kararlar verme (ve kararlardan talimatlar oluşturma)
Ayrıca RAM ve ROM şeklinde iki tür belleğe sahiptirler. RAM, kullanıcı bir bilgisayarı kapattığında kaybolan rasgele erişim belleği anlamına gelir. Bilgisayarın bilgileri kalıcı olarak saklaması gerekiyorsa, salt okunur bellek anlamına gelen ROM'u kullanacaktır.
Çip tasarımı önemli
İlk bilgisayar çiplerinde yalnızca 1 transistör vardı. Günümüzün çiplerinde birkaç milimetre kareye sığdırılmış ve birbirine bağlı milyonlarca ve hatta milyarlarca transistör bulunur. Piyasadaki en küçük transistörler artık 15 Silikon atomuna eşdeğer bir uzunluk olan 3 nanometre seviyesine ulaşıyor.
Günümüzün dünyasında sağlıktan, güvenliğe, ulaşımdan, bilgisayarlara, ev eşyalarına kadar uzanan alanda kullanılan çiplerin tasarımı kullanım amacına uygun bir şekilde yapılır. Bu çip tasarımı süreci, devre tasarımı bilgisini ve mantık oluşumunu içerir. Tüm çipler, transistörler olarak bilinen temel elemanlar kullanılarak yapılır.
Çip tasarımındaki bugünkü eğilim, ortak simülasyon (donanım ve yazılım) tasarımının kullanılmasıdır. Bu şekilde tüm algoritma iki alt bloğa bölünmüştür: (i) yoğun hesaplama gerektiren alt modüller donanım yani çiplere alınır, (ii) verilere bağımlı olan ve karar vermeye dahil olan karmaşık modüller yazılım üzerinde işlenir.
Çip tasarım süreci için IP core (çekirdek) çok önemlidir. Bir tasarımcı ne zaman karmaşık bir tasarım uygulamak zorunda kalırsa, IP çekirdeklerini kullanarak zamandan tasarruf edebilir ve geliştirme riskini azaltabilir.
Transistör sayısını gösterir: nm
Merak edilen bir konu da bu; günümüzde nm ile ölçülen çip boyutu, üzerindeki transistör sayısını gösterir. Örneğin, 180 nm ve 90 nm transistörler kullanılarak çip tasarlanacaksa, 90 nm transistör sayısı, aynı silikon alana yerleştirilebilecek 180 nm transistör sayısından, yaklaşık iki kat fazla olacaktır. 180 nm, 90 nm vb. sayılar, kullanılabilecek minimum kanal uzunluğunu temsil ediyor ve rastgele atanmaz, önceki sayıyı 2'nin kareköküne bölerek bulunur. Örneğin, 180 nm'den bir sonraki teknoloji düğümü, 180 bölü kök 2 yani yaklaşık 130 nm olarak çıkıyor. Aynı şekilde, 130 nm'den sonraki 130 bölü kök 2 olacaktır, bu da yaklaşık 90 nm'dir ve böyle devam eder.
180 nm çipler, 1999-2000 aralığındaki PC'lerde kullanılıyordu, 90nm 2003-2005 aralığında ve 65 nm ise 2007-2010 aralığında. Günümüzde 3 nm üretiminden bahsediliyor.
Füsun Nebil
*Bu yazı, HBT Dergi 383. sayıda yayınlanmıştır.
