Yarı iletken endüstrisinin 60 yılı aşkın süredir temelini oluşturan Moore Yasası, her iki yılda bir çip üzerindeki transistör sayısının iki katına çıkacağını öngörüyordu. Bu yasa, daha küçük transistörler ve daha büyük yongalar sayesinde şaşırtıcı bir doğrulukla işledi. Ancak fiziksel küçülme sınırlarına yaklaştıkça, teknoloji devleri bu büyüme hızını sürdürmek için yeni yollar aramak zorunda kalıyor.
Suudi Arabistan'daki Kral Abdullah Bilim ve Teknoloji Üniversitesi (KAUST) araştırmacılarından oluşan bir ekip, bu soruna radikal bir çözüm öneriyor: Artık sadece yongaları değil, tek tek transistörleri dikey olarak istiflemek. Bu çalışma, Nature Electronics dergisinde yayımlandı ve gelecekteki bilgi işlem teknolojileri için umut verici bir kapı aralıyor.
Neden Transistör İstiflemeye İhtiyaç Duyuyoruz?
Günümüzün en gelişmiş işlemcileri ve grafik kartları (CPU’lar ve GPU’lar) tek bir transistör katmanına sahiptir. Mevcut 3D yonga istifleme teknikleri (örneğin AMD’nin 3D V-Cache kullanan Ryzen işlemcileri veya NAND flash belleklerdeki çok katmanlı yapı), daha fazla ön bellek veya depolama kapasitesi eklemek için tüm yongaları (die) üst üste dizer. Ancak, AMD’nin 3D V-Cache üretiminde kullandığı hibrit bağlama gibi kritik teknolojiler, fikri mülkiyet firması Adeia tarafından patent ihlali iddialarıyla karşı karşıya kalmış ve bu dikey entegrasyon yöntemlerinin hukuki tartışmaların merkezine oturmasına neden olmuştur. AMD Ryzen işlemciler Adeia patent ihlali davası hakkında detaylı bilgiye ulaşabilirsiniz. Bu yöntemler, tek bir çip içindeki temel transistör yoğunluğunu dikey olarak artırmaz.
Moore Yasası'nın devam etmesi için, endüstri artık yatay genişlemeden (daha küçük transistörler) dikey büyümeye (transistör katmanlarını istifleme) geçmek zorunda. KAUST araştırmasının önemi tam olarak buradadır: Çipin temel yapısını dikeyde dönüştürmek.
KAUST'un Devrimi: Altı Katmanlı Transistör Yığını
KAUST ekibinin geliştirdiği yeni yöntem, tek bir çip içinde altıya kadar alternatif transistör katmanını başarılı bir şekilde istiflemeyi başardı. Bu yığın, toplamda 41 ayrı metal, organik malzeme ve yarı iletken katmanından oluşuyor. Bu, mevcut bir komple işlemcide bulabileceğinizden daha fazla katman anlamına geliyor.
Teknolojinin En Büyük Engeli: Pürüzsüzlük
Bu tür dikey istiflemenin en zorlayıcı yanı, her katmanın hizalanması ve yüzey pürüzsüzlüğüdür. Sadece birkaç nanometrelik bir kayma bile performansta ciddi düşüşlere yol açabilir. KAUST ekibi, bu zorluğun üstesinden gelerek yüzey pürüzlülüğünü 3.63 nm'den fazla olmayacak şekilde tutmayı başardı. Bu hassasiyet, araştırmanın akademik dünyada dikkat çekmesinin ana nedenidir.
Şeytanın Avukatı: Termal Sınırlar ve Kullanım Alanları
Araştırmanın heyecan verici doğasına rağmen, kullanılan metal oksit ve organik ince film transistörlerinin kritik bir dezavantajı var: Düşük termal tolerans. Geliştirilen altı katmanlı yığın, yalnızca 50°C gibi düşük bir ısı limitine sahip ve 75°C'de gözle görülür kararsızlık gösteriyor. Bu durum, teknolojinin şu an için yüksek saat hızları ve yoğun güç gerektiren masaüstü CPU'ları veya üst düzey GPU'lar için uygun olmadığı anlamına geliyor.
Ancak bu kısıtlama, teknolojinin faydasız olduğu anlamına gelmez. Bu tür düşük güç tüketimi ve düşük termal gereksinimlere sahip transistörler, özellikle giyilebilir teknoloji, Nesnelerin İnterneti (IoT) cihazları ve diğer ultra düşük güç uygulamaları için mükemmel bir başlangıç noktası sunuyor.
Gelecek Perspektifi: Laboratuvardan Fabrikaya
Her ne kadar bu üretim teknikleri şimdilik 'laboratuvar temelli' olsa da, endüstrideki tüm büyük çip üretim yöntemleri başlangıçta bu şekilde hayat bulmuştur. Eğer araştırmacılar yığınların termal dayanıklılığını artırmayı başarırsa ve seri üretim maliyet etkin bir şekilde ölçeklenebilirse, bu dikey transistör istifleme yöntemi, Intel, TSMC ve Samsung gibi devlerin gelecekteki çip mimarilerini yeniden şekillendirebilir.
Ancak, çip teknolojisindeki bu ilerlemeler küresel jeopolitik gerilimlerden bağımsız değildir. Örneğin, Çin hükümetinin devlet destekli veri merkezlerinde yabancı yapımı yapay zeka (AI) çiplerinin kullanımını yasaklama kararı, teknoloji devleri, özellikle de Nvidia için büyük bir pazar zorluğuna neden olmuştur. Bu tür politik kararlar, teknolojik yeniliklerin küresel pazarda nasıl benimsenip dağıtılacağını belirleyen önemli bir faktör olarak öne çıkmaktadır. Çin devlet veri merkezlerinde yabancı AI çip yasağı ve Nvidia etkisi hakkında daha fazla bilgiye ulaşabilirsiniz.
Moore Yasası, transistörlerin sonsuza dek küçülmeyeceği fiziksel gerçeğiyle yüzleşiyor. Ancak KAUST'taki bu çalışma, gelecekteki büyümenin küçülmek yerine gökyüzüne doğru istiflenerek sağlanabileceğini gösteriyor. Bu dikey mimariler, gelecekte trilyonlarca transistör barındıran süper çiplerin yolunu açabilir.
Kaynak: Bu haber metni, yarı iletken teknolojilerindeki son gelişmeleri ele alan PC Gamer'ın ilgili bilimsel araştırmayı derlediği makalesine dayanarak hazırlanmıştır.
