50 yıldan fazladır süren ve Moore yasasına uyarak üstel olarak gelişen elektronik devrelerin minyatürleştirilmesi artık fiziksel sınırlarına dayanıyor. Son nesil çipleri oluşturan transistörlarin boyutları 7 nm (nanometre - metrenin milyarda biri) ye kadar indi. Atom ölçeğine iyice yaklaşıldı yani.
Bu ölçekte kuantum etkileri kendilerini iyice göstererek devrelerin çalışmalarını engelleyecekler. Elektronik cihazların ve uygulamalarının gelişmelerini sürdürmeleri için yeni yöntemlere, teknolojilere ve araçlara gerek var.
Bu yazımızda elektronik endüstrisinin geleceğe nasıl hazırlandığını inceleyeceğiz. Önce elektronik devrelerden başlayalım:
‘Elimde bir çekiç var ...’ sendromundan kurtulmak
ABD’li İntel firması gibi öncü entegre devre (chip) üreticilerinin klasik iş modelleri dikey integrasyon, yani tasarımdan üretime her şeyi kendi yapmak üzerine kurulmuştu. Uzun yıllar geçerliliğini koruyan bu model en yüksek performanslı ürünü en geniş pazara sunmayı hedefliyordu. Yani, firmalar, uygulamalardan çok hedeflenen ürüne odaklı idi. Tasarımlar da o ürünü en iyi değerlendirecek biçimde yapılıyor, yani, bir anlamda, ‘Elimde bir çekicim var, şimdi ben bununla ne yapabilirim’ paradigmasına hapsolunuyordu.
On yıl kadar önce, akıllı telefon devrimine paralel olarak, çip tasarımı ile üretimi birbirinden ayrıldı. Yeni tasarım firmaları tüm çiplerini, artık yeni model bir telefonun ya da tabletin gereksinim ve özelliklerine göre tasarlıyorlardı. Bir süre sonra Apple firması da onlara katıldı. Çoğu Tayvan, Kore, ve Çin’de bulunan çip üretim tesisleri ise çeşitli tasarımcıların çiplerini en uygun teknolojiler ile üretiyorlardı. Bu yaklaşım birçok yeniliği tetikledi; mobil cihazlardaki çiplerin enerji gereksinimini en aza indirme, değişik görevler yapan farklı devrelerin ve çeşitli algılayıcıların aynı çip üzerinde integrasyonu gibi (SoC - System on a Chip). Bu yeni iş modeli halen başarı ile sürdürülmekte.
3 boyutlu entegre devreler (3D IC)
Günümüzdeki hemen tüm elektronik çipler iki boyutlu, yani bir silikon levhacık üzerine litografi (baskı) teknikleri ile çeşitli yarı iletken tabakalarının işlenmesi ile üretiliyorlar.
Bir anlamda, kağıdın üzerine değişik renkteki mürekkep tabakalarının basılması ile oluşan gazeteler ve dergiler gibi, ama çok daha küçük ölçekte ve çok gelişmiş teknolojiler kullanarak.
Bilgisayar, akıllı telefon, tablet vb elektronik cihazlar da, çeşitli çipler ve bazı diğer elektronik bileşenlerin baskılı devre adı verilen plakalara lehimlenerek birbirleri ile bağlanmasıyla oluşuyor.
Eğer değişik çipleri, örneğin bir bilgisayarın işlemcisi ile hafızasını birbirlerine yukarıdaki klasik yöntemle (baskılı devre üzerindeki iletkenlerle) bağlamak yerine, tek bir çipin üzerine üst üste yerleştirebilsek ve aralarındaki bağlantıları da doğrudan, çip üretilirken, onun içinde yapabilsek olağanüstü bir ilerleme sağlardık. Yalnız her şeyi çok daha küçültmekle kalmaz sistemin hızını da neredeyse 1000 kereye kadar artırabilirdik!
İşte üç boyutlu tüm devreler (3D IC’s) tam da bunu yapacaklar. Üniversitelerde ve endüstride bu amaçla yapılan araştırma ve geliştirmeler bütün hızları ile sürmekte. Karbon nanotüplerin de bu 3D çiplerin yapılarında önemli bir rol oynaması bekleniyor.
İkinci olarak da elektronik endüstrisini dönüştürme amaçlı gelişmelere göz atalım:
ABD’nin DARPA ajansı (Defense Advanced Research Projects Agency), adı üzerinde, temel amacı savunma olsa da, geleneksel olarak ileri teknolojileri destekleyen, onlara yön veren ve sivil alanda da uygulanmalarını sağlayan bir kuruluş olmuştur.
Örneğin İnternet DARPA’nın bir inisyatifi olarak ortaya çıkmıştır. DARPA ajansı, bu yıl, elektronik endüstrisinin geleceğini biçimlendirecek önemli bir adım attı. Devrimci bir vizyon ve önümüzdeki 5 yıl için 1.5 milyar doları bulan bir destekle ABD elektronik endüstrisini ve onun, üniversiteleri de içeren ekosistemini dönüştürecek bir adım.
Bu girişimin bir nedeni, elektronik devrelerin minyatürleşmesinin artık sınırlarına dayanılması ve donanım ve yazılım geliştirmenin iyice karmaşıklaşması. Bu da, sürekli büyüyen ekiplerin giderek daha pahalı ve kompleks çözümler üretmesine yol açıyor.
Bir diğer neden de, doğaları gereği, her firmanın ve ekibin kendi hedeflerine göre ve kısa döneme öncelik vererek çalışması. DARPA üzerinden, devlet, daha ileriye bakmak ve endüstriyi ortak hedefler etrafında yönlendirerek seferber etmek görevlerini üstleniyor. Ana hedefler şunlar:
Yapısını yazılım ile değiştiren donanım
Ama, bu, tıpkı insan (ya da tüm canlıların) beyni gibi, değil mi? Gerçekten de beynimizdeki nöronların bağlantıları, dolayısı ile beynin fiziksel yapısı (donanımı), algıladıklarımıza, düşündüklerimize ve yaptıklarımıza göre sürekli değişiyor. Günümüzdeki tüm elektronik devreler ve bilgisayarların ise donanımları sabit, üretildikleri andan itibaren değişmiyor. Değişik işleri sadece yazılımları aracılığı ile yapabiliyorlar, bu da verim ve performanslarını sınırlıyor.
DARPA’nın bu alandaki projesi, aşamalı biçimde, yapıları yazılım ile kontrol edilebilen ve anında (milisaniye hatta mikrosaniyelik bir sürede) değişebilen elektronik devrelerin geliştirilmesi.
Bu da, internet ve akıllı telefon ulaşımları, hareketli robotlar, yapay zeka sistemleri gibi çok hızlı gelişen dallarda, her yeni nesil ürün için yeni çipler geliştirmeyi gereksiz kılarak maliyetleri düşürecek ve her şeyi hızlandıracak: Hem ürün geliştirme döngüsünü, hem de optimal yapıdaki donanımla çalışacak olan ürünlerin performansını... insan beyninde olduğu gibi, yapısını anında değiştirebilen donanımların açacağı ufukları ve uygulamalarını düşlemek bile baş döndürücü.
İki mühendise yüz mühendisin işini yaptırmak...
İddia biraz abartılı da olsa, amaç, SoC (System on a Chip) türünden karmaşık elektronik devrelerin tasarımını yapan ve sayıları bazen yüzü geçen mühendisten oluşan ekipleri, akıllı yazılımların desteği ile birkaç kişiye indirmek.
HBT yazarı Sn. Ali Akurgal’ın da son yazılarında vurguladığı gibi, mühendislerin, yeni nesil tasarım destek araçları ile çalışmaları, hemen her dalda verimi ciddi biçimde arttırarak ekiplerin küçültülmesini sağlıyor. Ama bu araçları en uygun biçimde kullanabilecek nitelik ve deneyimde mühendislerin de yetişmesi gerekiyor..
Öğrenen tasarım araçları
Makina öğrenimi (Machine Learning) ve tasarım otomasyonu (Design Otomation) alanlarının kesişiminde konumlanan bu girişim, bilgisayar destekli elektronik devre tasarım yazılımlarının akıllanmasını hedefliyor. Yazılım, kullanıcılarının yaptıklarını izleyerek sürekli öğreniyor ve yeni tasarımları kolaylaştırıyor. Ayrıca, bulut (internet) üzerinde çalışan böyle bir akıllı tasarım aracı, bir ekibin değişik fiziksel mekanlardaki elemanlarını da ortak biçimde destekleyecek.
Açık kaynaklı donanım
Bilindiği gibi, açık kaynaklı yazılımlar (open source software) günümüzde yaygın olarak ve başarı ile kullanılmaktadır. Bu yazılımların kaynak kodu (programları) tüm kullanıcılara açıktır, tüm ayrıntıları ile incelenebilir ve istendiği gibi değiştirebilir.
İşte, DARPA, bu projesi ile, donanımda da, tüm özellikleri incelenebilen ve analiz edilebilen donanım modüllerinin geliştirilmesini ve ortak kullanıma açılmasını hedeflemektedir. Donanım dünyasının da, yazılımcıların başardığı gibi, lisanslarla korunmuş tasarımların ötesine geçerek ana ilkenin paylaşım olduğu bir modele geçmesi desteklenmektedir. Bu modüller aracılığı ile tasarımlar daha hızlı, güvenli ve geniş ufuklu biçimde gerçekleştirilebilecektir.
Yukarıdaki gelişmeler ABD kaynaklı olsalar da, tüm ülkelerin elektronik endüstrileri ile elektronik ve bilgisayar mühendisliği eğitimlerini etkileyecekleri kuşku götürmez. Entegre devrelerin tasarım ve üretim trenlerini ne yazık ki kaçırmış olan ülkemiz, bu gelişmeleri yakından izleyerek ve bazı alanlarda da o gelişmelere katılarak, yarınların elektroniğinde söz sahibi olabilir.
Erdal Musoğlu / [email protected]
Bu yazı HBT'nin 136. sayısında yayınlanmıştır.