20 milyar dolarlık bir yarı iletken Fab'i nasıl inşa edilir?

• Yarı iletkenler transistör başına maliyeti aşırı derecede düşürdü, ancak bunları üreten Fab inşaat maliyetleri 10–20 milyar doların üzerine çıkarak yapay zeka, mobil ve bilişim tedarik zincirlerinde darboğaz hâline geldi
• Çip üretimi, silikon wafer üzerinde katman oluşturma, desenleme, doping ve ısıl işlem adımlarını tekrarlayarak FEOL aygıtlarını ve BEOL metal ara bağlantılarını üst üste inşa eder; ileri süreçler 80’den fazla mask ve binlerce adım gerektirebilir
• Modern Fab’ler cleanroom, sub-Fab, interstitial alanlar ve dış destek tesislerinin birlikte çalıştığı dev sistemlerdir; parçacık, titreşim, güç, gaz ve ultra saf su aynı anda kontrol edilmelidir
• Yeni bir Fab maliyetinin %70–80’i proses ekipmanlarından oluşur; ASML EUV gibi litografi ekipmanları birim başına yüz milyonlarca dolar seviyesindedir ve yalnızca litografinin toplam maliyetin yaklaşık %20’si olduğu tahmin edilir
• Proses düğümü ilerledikçe ekipman fiyatları, mask sayısı ve otomasyon ihtiyacı birlikte artar; bu yük, ileri üretimi TSMC, Samsung, Intel gibi az sayıda şirket ve fabless-foundry yapısı etrafında yoğunlaştırır

---

Transistörler ucuzladı, Fab’ler pahalandı

• Yarı iletkenler PC’lerin, internetin, cep telefonlarının ve yapay zekanın gelişiminin temeli oldu; GPU’lar büyük ölçekli matris işlemleriyle yapay zeka teknolojisinin ilerlemesinde önemli rol oynadı
• Moore’s Law uyarınca transistörler küçüldü ve ucuzladı
  • 1954 tarihli TR-1 transistörlü radyo 4 transistör kullanıyordu; birim fiyatı 2,50 dolardı, 2024 değeriyle 29,03 dolara denk geliyordu
  • AMD Ryzen 9 7950X3D, 9,9 milyar transistör içerir ve 650 dolara satılır; bu da transistör başına yaklaşık 0,000000066 dolar anlamına gelir
  • 1950’lerden bu yana transistör maliyeti yaklaşık 300 milyonda bire düştü
• Üretim tesisi maliyetleri ise tersine hızla yükseldi
  • 1960’ların sonu ile 1970’lerin başındaki Fab’ler yaklaşık 4 milyon dolar, 2024 değeriyle yaklaşık 31 milyon dolar ölçeğindeydi
  • Modern Fab’ler 10–20 milyar doların üzerine çıkabilir
  • Intel’in Arizona’daki iki Fab’inin her biri 15 milyar dolar, Samsung’un Taylor, Texas Fab’inin ise 25 milyar dolar olacağı tahmin ediliyor
• Moore’s Second Law veya Rock’s Law, yarı iletken Fab maliyetlerinin her dört yılda bir ikiye katlandığı gözlemini içerir
• Modern çip yapıları yaklaşık 50 nm genişliğindedir; bu, insan saçının genişliğinin yaklaşık 1/2000’i kadardır
  • Malzemeler birkaç atom kalınlığındaki katmanlar hâlinde yerleştirilir
  • Tek bir toz zerresi, voltajdaki çok küçük bir dalgalanma veya küçük bir kontaminasyon bile üretim hatasına yol açabilir
  • Bu koşullar bir laboratuvarda değil, her yıl yüz milyonlarca çip üreten bir fabrikada korunmalıdır

Çipler FEOL ve BEOL katmanları istiflenerek üretilir

• Bilgisayar çipleri birden çok katmandan oluşan yapılardır
• Alt kısımdaki FEOL(front end of line) bölgesinde transistör, kapasitör, direnç ve diyot gibi silikon tabanlı aygıtlar bulunur
• Üst kısımdaki BEOL(back end of line) bölgesinde ise aygıtları birbirine bağlayan ince metal ara bağlantı katmanları yer alır
  • Intel’in mevcut süreci 15 metal ara bağlantı katmanından oluşur
  • Farklı katmanlar dielektrik adı verilen yalıtkanlarla ayrılır
  • Katmanlar arası bağlantı, via adı verilen delikler üzerinden yapılır
• Çipler, yüksek saflıkta silikon wafer üzerine malzeme ekleme, bir kısmını çıkarma, ardından yeniden malzeme ekleme veya değiştirme süreçlerinin tekrarlanmasıyla üretilir
• Bu üretim yöntemi, 1959’da Fairchild Semiconductor’dan Jean Hoerni tarafından icat edilen **düzlemsel süreç(planar process)**tir ve entegre devreleri ve modern bilgisayar teknolojisini mümkün kılmıştır

Dört temel süreç

• Katman oluşturma

  • Katman oluşturma(layering), wafer yüzeyine son derece ince malzeme katmanları ekleme sürecidir
  • Katman kalınlığı 1 nm’nin altına, yani insan saçının kalınlığının 1/100.000’i seviyesine kadar inebilir
  • Süreç adımına göre yalıtkan, iletken ve yarı iletken malzemeler kullanılır
  • Başlıca yöntemler arasında termal oksidasyon, kimyasal buhar biriktirme(CVD) ve sputtering bulunur
  • Modern atomik katman biriktirme, atomları tek katman hâlinde istifleyebilecek hassasiyet sunar

• Desenleme

  • Desenleme(patterning), wafer üzerine belirli bir desen kazıma ve gerekli bölgelerdeki malzemeyi seçici olarak kaldırma sürecidir
  • Modern yarı iletkenler fotolitografi kullanır
  • Wafer’a ışığa duyarlı malzeme olan photoresist uygulanır ve desen işlenmiş bir mask üzerinden belirli dalga boyunda ışık tutulur
  • Stepper veya scanner, mask’i wafer üzerinde hareket ettirerek yüzlerce çip alanını pozlar
  • Pozlamadan sonra photoresist develop edilir ve açığa çıkan malzeme ıslak veya kuru aşındırma ile kaldırılır
  • Islak aşındırma hidroflorik asit gibi sıvı kimyasallar, kuru aşındırma ise plazmalaştırılmış flor gibi gazlar kullanır

• Doping

  • Doping(doping), yarı iletken malzemeye çok küçük miktarda safsızlık ekleyerek elektriksel iletkenliğini değiştirme sürecidir
  • Silikona fosfor veya arsenik gibi V. grup elementler eklendiğinde serbest elektronları bol n-tipi yarı iletken oluşur
  • Bor gibi III. grup elementler eklendiğinde boşlukları bol p-tipi yarı iletken oluşur
  • p-tipi ve n-tipi silikonu uygun biçimde yerleştirerek transistör gibi aygıtlar yapılabilir
  • Başlangıçta ağırlıklı olarak difüzyon yöntemi kullanılsa da günümüzde doping çoğunlukla iyon implantasyonu ile yapılır

• Isıl işlem

  • Isıl işlem, istenen malzeme özelliklerini elde etmek için wafer’ı ısıtma veya soğutma sürecidir
  • İyon implantasyonu silikon kristal yapısında hasar oluşturur; hızlı termal tavlama bunu onarır
  • Isı lambaları wafer’ı birkaç saniye içinde 1.000 derecenin üzerine ısıtır, ardından yavaşça soğutarak kristal yapıyı geri kazandırır
  • Litografide de sıvı photoresist’i pişirmek ve sertleştirmek için ısı kullanılır

Yardımcı süreçler karmaşıklığı artırır

• CMP(chemical mechanical polishing), birçok katman istiflenirken biriken yüzey yükseklik farklarını azaltmak için wafer yüzeyini düzleştirir
  • Aşındırmayla açılan delikler malzemeyle doldurulduktan sonra üstteki malzemeyi parlatıp kaldırmak için de kullanılır
• Temizleme, mikroskobik parçacıkların neden olduğu çip kusurlarını önlemek için tekrarlanır
  • Modern bir Fab’de wafer, üretim sırasında 200’den fazla kez temizlenebilir
  • Çözücüler ve ultra saf su kullanılır
• Metroloji(metrology), üretim hatalarını veya kusurları tespit etmek için süreç boyunca çeşitli noktalarda wafer’ı ölçer
• Erken dönem entegre devreler 5–10 mask ve onlarca süreç adımıyla üretilebiliyordu; modern ileri çipler ise 80’den fazla mask ve binlerce ayrı süreç adımı gerektirebilir
• Süreci tamamlanan wafer, montaj ve paketleme aşamasına geçer
  • Wafer tekil çiplere kesilir
  • Çip kablolara veya başka çiplere bağlanır
  • Koruyucu kaplamayla sarılır
  • Paketleme Fab içinde veya ayrı bir tesiste yapılabilir

Nanometre ölçeğinde üretim aşırı kontrol gerektirir

• Genel imalatta belirli bir tolerans payı vardır; yarı iletken üretiminde ise tolerans payı neredeyse yok olur
• Birkaç nm boyutunda transistör üretmek, geleneksel imalattan yüz binlerce kat daha yüksek doğruluk gerektirir
• Tek bir mikroskobik parçacık bağlantıyı kısa devre yaparak tüm çipi bozabilir; birkaç atomun yanlış konumda olması bile bir süreç adımını başarısız kılabilir
• Bell Labs’in 1940’lardaki yarı iletken araştırmalarında, bir araştırmacının bakır kapı koluna dokunduktan sonra eliyle taşıdığı çok küçük miktardaki bakır atomlarının malzemeyi bozduğu tespit edilen bir örnek vardır
• Intel, küçük bir ekipman değişikliğinin bile yeni bir Fab’in verimini aylar veya yıllar boyunca düşürebildiğini keşfetti
  • Bunu önlemek için Copy EXACTLY! sürecini uygulamaya koydu
  • Yeni Fab’ler mevcut Fab’lerle mümkün olduğunca aynı yapıldı; duvar boyasının rengi ve markası bile eşleştirildi

Modern Fab’in temel yapısı

• Modern yarı iletken Fab’leri genellikle dört seviyeden oluşur
  • Sürecin fiilen gerçekleştiği cleanroom
  • Cleanroom’un altındaki sub-Fab
  • Cleanroom’un üzerinde havayı yeniden dolaştıran fanlar ve filtrelerin bulunduğu interstitial alan
  • Dış destek tesisleri
• Cleanroom’da ASML EUV litografi ekipmanları, kimyasal buhar biriktirme ekipmanları, iyon implanter’lar ve temizleme/aşındırma için wet bench gibi proses ekipmanları yer alır
• Ekipman üreticileri ASML, Lam Research, Applied Materials, Tokyo Electron gibi az sayıda uzman şirketten oluşur
• Başlıca proses ekipmanları 5–10 milyon dolar seviyesinde olabilir; bazıları 100 milyon doları aşar
• ASML’in en gelişmiş fotolitografi ekipmanları neredeyse 400 milyon dolara ulaşır
• Modern bir logic Fab ayda 40–50 bin wafer üretebilir; bir bellek Fab’i ayda 120 bin wafer’a kadar çıkabilir
• Bu üretim hacmi için 1.000’den fazla proses ekipmanı gerekebilir

Cleanroom ve otomatik lojistik

• Yarı iletken Fab’leri genellikle Class 10 veya Class 100 cleanroom olarak inşa edilir
  • Havanın 1 ft³’ü başına 0,5 mikron ve üzeri parçacık sayısı en fazla 10 veya 100 olabilir
  • Tipik bir evde 1 ft³ başına yaklaşık 500 bin parçacık bulunur
  • Ameliyathaneler yaklaşık 100 bin parçacık seviyesindedir
• Cleanroom tavanındaki HEPA veya ULPA filtreler havayı aşağı doğru iter; hava zeminden sub-Fab’e alınır ve yeniden dolaşıma sokulur
• Cleanroom, dış ortama göre pozitif basınçta tutulur; böylece dış parçacık girişi engellenir
• Hava değişimi saatte yüzlerce kez yapılır; bu, tipik bir ofisteki saatte 5–10 değişimden çok daha fazladır
• Büyük Fab’lerin cleanroom alanı 500 bin–1 milyon ft² veya daha fazla olabilir; bu nedenle HVAC sistemleri de dev boyuttadır
• Üreticiler cleanroom’un tamamını aşırı temiz yapmak yerine wafer çevresini daha güçlü biçimde izole eder
  • Wafer’lar FOUP(front opening unified pod) adlı kapalı pod’larla taşınır
  • Proses ekipmanının kendisi de kapalı bir mini ortam oluşturur
  • Bir TSMC Fab’i, Class 100 cleanroom içinde wafer’ları Class 0.1 mini ortamda işler
• FOUP’lar tavandaki ray tabanlı otomatik lojistik sistemiyle proses ekipmanları arasında hareket eder
  • Bazı eski Fab’ler zeminde çalışan otomatik güdümlü araçlar kullanır
  • Bir wafer’ın tüm süreçten geçmesi aylar sürebilir
  • Herhangi bir anda on binlerce wafer üretim sürecinin farklı aşamalarındadır
  • Wafer’lar süreç boyunca birkaç mil yol kat edebilir
• Depolanan FOUP’lar kontaminasyonu önlemek için azotla purge edilebilir

Titreşim, elektromanyetik etki ve gücü bile kontrol eden fabrika

• Proses ekipmanları titreşime son derece duyarlıdır; yüksek gürültü bile üretim sürecini olumsuz etkileyebilir
• Fab’ler genellikle havalimanı, demiryolu ve yoğun otoyol gibi dış titreşim kaynaklarından uzakta inşa edilir
• Bir örnekte, Fab binasından 400 ft uzaktaki bir egzoz çıkışı, cleanroom zemininde kabul edilemez titreşimin nedeni olmuştu
• Fab’ler, normal binalardan 100 kat fazla mekanik enerji ve 50 kat fazla hava akışı absorbe ederken, insanların algılayabileceği seviyeden birkaç mertebe daha düşük titreşimi korumalıdır
• Cleanroom zemini genellikle 2–4 ft kalınlığında derin beton waffle slab olarak inşa edilir
  • Rijitliği artırmak için sık aralıklı kolonlarla desteklenir
  • Üzerine borular ve kablolar için metal yükseltilmiş döşeme kurulur
  • Proses ekipmanları, çalışanların ayak seslerinden kaynaklanan titreşimlerden kaçınmak için ayrı kaideler üzerine yerleştirilebilir
• Litografi ekipmanları gibi hassas ekipmanlar aktif titreşim sönümleme cihazları gerektirebilir
• Sismik aktivitenin olduğu bölgelerde, binayı çevredeki zeminden ayırmak için deprem damperleri veya özel temeller kullanılabilir
• Diğer girişim kaynakları da kontrol edilir
  • Litografi alanları photoresist’in pozlanmasını önlemek için özel sarı aydınlatma kullanır
  • Statik elektrik birikimini önlemek için antistatik malzemeler kullanılır
  • Elektromanyetik girişimi azaltmak için ekipman ekranlaması ve EMF kaynaklarının en aza indirilmesi gerekir
  • Elektrik kesintilerine karşı yedek jeneratörler ve kesintisiz güç kaynakları kullanılır
  • Sıcaklık ve nem dar bir aralıkta tutulmalıdır
  • Güvenlik amacıyla RF ekranlama tasarlanabilir

Sub-Fab ve yardımcı tesisler

• Sub-Fab, cleanroom’un altında proses ekipmanlarını destekleyen tesis katmanıdır
• EUV litografi ekipmanı, cleanroom’daki ana ekipman gövdesine ek olarak alt katta CO₂ lazer ve vakum pompaları gerektirir
• İyon implanter’lar ve sputtering ekipmanları da vakum gerektirir; büyük bir Fab’de binlerce vakum pompası olabilir
• Fab’ler çeşitli yüksek saflıkta kimyasallar ve gazlar kullanır
  • Azot, FOUP ve proses ekipmanlarının purge edilmesi ve temizlenmesinde kullanılır
  • Oksijen, oksidasyon fırınlarında ve azaltım ekipmanlarında kullanılır
  • Argon, plazma reaksiyonlarında kullanılır
  • Hidrojen, EUV ekipmanlarının temizliğinde kullanılır
• Bazı kimyasallar %99,9999999 saflık gerektirir
• Borulama çok büyük ve karmaşıktır; bazı boruların çapı 10 ft’ye ulaşabilir
• Zehirli ve tehlikeli maddeler özel işlem gerektirir
  • Fosfin ve arsin, dopingde kullanılan son derece toksik maddelerdir
  • Silan bazı CVD süreçlerinde kullanılır ve havayla temas ettiğinde kendiliğinden tutuşabilir
  • CVD odası temizliğinde kullanılan klor triflorür, ıslak kumu bile yakabilecek kadar reaktiftir
• Egzoz gazı işleme için birden çok ayrı egzoz sistemi gerekir
  • Yan ürünlerin, özellikle amonyağın birbiriyle reaksiyona girmemesi için ayrılırlar
  • Azaltım ekipmanları ve scrubber’lar zararlı maddeleri uzaklaştırır
• Sub-Fab’de elektrik panoları, transformatörler, fanlar, klima santralleri, chiller’lar, RF jeneratörleri ve ısı eşanjörleri de bulunur
• Borulama ve ekipmanlar da genel imalattan çok daha sıkı standartlar gerektirir
  • Paslanmaz çelik ve teflon kaplama kullanılır
  • Boru iç yüzeyleri, parçacık salımını ve kirletici birikimini azaltmak için elektropolisajdan geçirilir
  • Sızıntı ve kontaminasyonu azaltmak için orbital welding kullanılır
  • Ekipmanlar ve malzemeler cleanroom’da üretilebilir, plastik torbalarla çift paketlenerek sahaya taşınabilir

Su, gaz, güç ve inşaat ölçeği

• Büyük proses ekipmanlarını cleanroom’a taşımak için on binlerce pound kaldırabilen endüstriyel asansörler gerekir
• Büyük bir logic Fab saatte 50 bin m³ azot kullanabilir; bu nedenle azot, oksijen ve argon üreten hava ayırma tesisi sahada bulunabilir
• Wafer temizliği ve CMP için büyük miktarda ultra saf su gerekir
  • Büyük bir Fab günde milyonlarca galon ultra saf su kullanabilir
  • Bu, 50 bin nüfuslu bir şehrin kullandığı suya benzer seviyededir
  • Ultra saf su üretimi ayrı uzman tesisler gerektirir
• Büyük bir Fab yaklaşık 100 MW elektrik gerektirebilir; bu, büyük bir nükleer reaktör kapasitesinin yaklaşık %10’u düzeyindedir
• Bölgesel kamu hizmetlerinin elektrik ve su arzını garanti edememesi nedeniyle Fab’lerin iptal edildiği veya taşındığı örnekler vardır
• Süreç koşullarını korumak için parçacık seviyesi, basınç ve safsızlık seviyeleri gibi değerleri izleyen on binlerce sensör kullanılır
• Büyük bir Fab yüz binlerce ft² cleanroom’a ve yüzlerce dönümlük araziye sahip olabilir
• İnşaat için on binlerce ton yapısal çelik ve yüz binlerce yd³ beton gerekir
  • Intel, kendi Fab’lerinin Burj Khalifa’nın iki katı beton ve Eiffel Tower’ın beş katı metal kullandığını belirtti
• İnşaat, özel eğitim almış binlerce işçi gerektirir
  • Intel’in Magdeburg Fab’inin en yoğun dönemde 9.300’den fazla kişi gerektirmesi bekleniyor
  • TSMC’nin Arizona Fab’i 12.000 kişi kullandı
• İşçiler clean construction protokolüne uymalıdır
  • Kaynak dumanını uzaklaştıran ekipman kullanılır
  • Sahada kesilen kenarların parçacık salımını önlemek için epoksi boyayla kaplandığı örnekler vardır
  • Borulama ve mekanik ekipmanlar saha dışında önceden imal edilip sonra monte edilebilir

Ekipman kurulumu ve verim ramp-up’ı

• Cleanroom’da pozitif basıncın korunabildiği aşama olan blow down seviyesine ulaşıldığında proses ekipmanı kurulumu başlar
• Ekipmanlar birçok parça hâlinde gelir ve uzun süre boyunca dikkatle monte edilebilir
• ASML’in gelişmiş EUV ekipmanı 40 yük konteyneri, 20 kamyon ve 3 kargo uçağıyla taşınır
• Proses ekipmanları çok hassastır; düşürülür veya çarpılırsa gecikmelere ve milyonlarca dolarlık onarım maliyetlerine yol açabilir
• Ekipman kurulumundan sonra Fab’in kabul edilebilir süreç verimine ulaşması için 6 ay–1 yıl ramp-up gerekebilir
• Fab’ler ölçek ve karmaşıklıklarına rağmen ortalama 2–4 yıl içinde inşa edilir
• ABD’de Fab inşaatı diğer bölgelere göre daha yavaş ve pahalı olma eğilimindedir
  • ABD’de Fab inşaat süresi 1990’larda ortalama 650 günün biraz üzerindeyken 2010’larda ortalama 900 günün üzerine çıktı
  • Asya ülkelerinde bu süre yaklaşık 600–700 gün seviyesindedir
  • Daha sıkı çevresel inceleme süreçleri nedenlerden biri olarak gösterilir
  • ABD’deki Fab’ler Intel ölçütüne göre %30 daha pahalı, TSMC ölçütüne göre ise 4 kata kadar daha pahalı olabilir
  • 4 kat maliyet muhtemelen yalnızca tesisi ifade eder; bu durumda toplam Fab maliyeti yaklaşık %60–90 daha yüksek olur

Maliyet yapısı ekipman ağırlıklı hâle geldi

• Yeni bir Fab maliyetinin %70–80’i proses ekipmanlarından oluşur
• Mevcut bir Fab’i daha ileri bir proses düğümüne yükseltme maliyeti de tamamen yeni bir Fab inşa etme maliyetinin önemli bir kısmına ulaşabilir
• 1980’lerin ortasındaki DRAM Fab’lerinde tesis ve ekipman maliyeti kabaca benzerdi; 1990’ların sonunda ise ekipman maliyetin büyük bölümünü oluşturdu
• Tesis inşaat maliyeti yapı, bitiş işleri, saha işleri, servis ve mekanik sistemler gibi kalemlere ayrılır
• Fab’lerde, müstakil konutlardan farklı olarak mekanik, elektrik ve servislerin payı çok büyüktür
  • Ultra saf su tesisleri, çoklu egzoz sistemleri ve büyük HVAC nedeniyle servis kalemleri yeni bir Fab tesis maliyetinin yaklaşık 2/3’ünü oluşturur
  • Müstakil konutlarda bu oran %20’nin altındadır
• Ekipman maliyetleri içinde en büyük kalem genellikle litografi ekipmanıdır
  • Ardından biriktirme ekipmanları ve temizleme/aşındırma ekipmanları gelir
  • Litografi ekipmanlarının yeni Fab maliyetinin yaklaşık %20’si olduğu tahmin edilir
  • Bu, litografi ekipmanı maliyetinin Fab tesisinin tamamının maliyetine denk olabileceği anlamına gelir

Proses düğümü her değiştiğinde maliyet artar

• Modern yarı iletken Fab’lerinde her yeni proses düğümüyle Fab maliyeti yaklaşık %30 artar
• İlk maliyet etkeni daha pahalı ekipmanlardır
  • ASML EUV litografi ekipmanları, yerini aldığı DUV ekipmanlarından çok daha pahalıdır
• İkinci maliyet etkeni daha fazla mask ve süreç adımıdır
  • Transistörler küçüldükçe metal ara bağlantı katmanları artar
  • FinFET, önceki daha basit transistörlere göre daha fazla katman oluşturma adımı gerektirir
• EUV bir dönem bu eğilimi tersine de çevirmişti
  • Daha önce iki veya daha fazla mask gerektiren işleri tek bir mask ile yapmayı mümkün kılarak süreç adımlarını azaltmıştı
• Üretim adımı iki kat olan bir ürünü aynı hacimde üretmek için ekipmanın da iki katına ihtiyaç vardır
• Wafer boyutunun artması da maliyeti yükseltir
  • 1970’lerde 50 mm wafer kullanılıyordu
  • Günümüz ileri Fab’leri 300 mm wafer kullanıyor
  • 450 mm’ye geçiş planlandı ancak uygulanmadı
• 300 mm wafer’a geçiş, otomatik lojistik ekipman kullanımını büyük ölçüde artırdı
  • Çünkü FOUP içindeki wafer’lar insanların elle taşıyamayacağı kadar ağırdı
  • Otomatik lojistik daha büyük yapılar ve daha yüksek cleanroom tavanları gerektirir

Sektör fabless-foundry yapısıyla yeniden şekillendi

• Fab’lerin ucuz olduğu dönemde çip üreticileri kendi Fab’lerine sahip olabiliyordu
• Fab maliyetleri yükseldikçe ileri üretim tesisleri işletmenin yükü büyüdü ve maliyeti yayacak kadar yüksek üretim hacmine sahip üretici sayısı azaldı
• 150 mm wafer Fab’inin verimli ölçeği ayda yaklaşık 10 bin wafer iken, 300 mm logic wafer Fab’inde bu ayda 40 bin wafer’a çıktı
• Bellek wafer Fab’leri ayda 120 bin wafer ölçeğiyle daha da büyüktür
• Günümüzde ileri düğümleri işletmek isteyen şirketler TSMC, Samsung, Intel gibi az sayıda oyuncuyla sınırlıdır
• Apple ve Nvidia gibi şirketlerin çip tasarladığı, TSMC gibi foundry’lerin ise ürettiği fabless model yaygınlaştı
• Foundry’ler, ileri Fab’leri karşılayacak ölçeğe ulaşmak için birden çok çip şirketinin siparişlerini bir araya getirir

Fab’ler atom düzeyinde seri üretim tesisleridir

• Modern gigafab’ler her yıl yüz milyonlarca çip üretir ve her çip milyarlarca transistör içerir
• Yarı iletken üretimi, atom düzeyinde muazzam miktarda maddeyi 7/24, yılın 365 günü tekrarlanabilir ve güvenilir biçimde manipüle etmeyi gerektirir
• Fab maliyeti, seri üretim fabrikasının ölçeği ile neredeyse hayal edilemez hassasiyetin kesiştiği noktada ortaya çıkar

[GN⁺]

Hacker News yorumları

• İşe gidip gelirken birkaç gün NPR/KQED’de Kai Ryssdal’ın sunduğu Marketplace’i dinledim; son dönemde konu CHIPS and Science Act ile TSMC ve Intel’in Arizona, Phoenix’te inşa ettiği yeni yarı iletken fabrikalarıydı.
  Halihazırda inşaatı süren fabrikaların üretime geçmesi birkaç yıl alacak, ancak bugünden inşaat sahalarından geleceğin iş gücü eğitimine ve bu dev fabrikaları destekleyecek çevre şirketlere kadar bir ekosistem oluşuyor.
  CHIPS Act fonları yalnızca üretim tesislerini ülkeye çekmek için değil, ekonomi ve ulusal güvenlik açısından ABD’nin kaybettiği yetkinlikleri gereken ölçekte geri kazanması için de kritik.
  İlgileniyorsanız programı podcast olarak dinleyebilirsiniz: https://www.npr.org/podcasts/381444600/marketplace

  • TSMC, birçok mühendisi Taiwan’dan Phoenix’e taşıdı; konutları, okulları ve etnik marketleriyle birlikte bir kasaba sıfırdan kuruldu.
    Önümüzdeki birkaç yıl içinde bu akışın Phoenix üzerinde nasıl kültürel ve ekonomik etkiler yaratacağını görmek ilginç olacak.
  • Buna pozitif dışsallık denir.
    Bu yüzden dış kaynak kullanımı vaat edilenden çok daha büyük zarar verdi; reshoring de beklenenden çok daha fazla iş yaratabilir.
    Ancak siyasetçilerde sıkça olduğu gibi, doğru şeyi yaparken bile bunu yanlış şekilde ele aldıkları için, şu an nihai sonucun stagflasyona yakın olma ihtimali yüksek görünüyor.
  • Intel’in Arizona genişlemesi için ASML EUV ekipmanı alıp almadığını merak ediyorum.
    Intel sanki ASML EUV’yi tamamen pas geçiyormuş gibi görünüyor; öyleyse 7nm~5nm’de nasıl makul verim elde edebileceğini anlamıyorum.
    High-NA’dan çıkacak gibi de görünmüyor; bu kısa vadeli bir dikkat dağılması gibi duruyor.
  • “Yan şirketler” derken somut olarak neler olabilir? Örneğin çalışanların aileleri için okullar gibi şeyler mi, merak ediyorum.

• Karşılaştırma yapmak gerekirse World Trade Center’ın inşaat maliyeti 2 milyar dolardı.
  Yarı iletken sektöründe 35 yıl çalıştım; bu yazı, çip üretiminde nelerin gerektiğini anlatan genel okura yönelik yazılar arasında gördüğüm en iyi örneklerden biri.
  Aşırı basitleştirmeden, açıklamalarla görseller arasındaki denge kusursuz.

  • Ben de aynı şeyi düşündüm.
    Doktora alanım SiC’ye yakın bir alandı; o dönemde böyle bir giriş düzeyi açıklama olsaydı konuya çok daha hızlı yetişebilirdim.

• Gerçekten ilginç bir yazı.
  İnsanlığın ne kadar ilerlediğine yeniden şaşırıyorum; iPhone’da Angry Birds oynarken modern teknoloji dünyasını mümkün kılan muazzam araştırmayı, kaynakları ve uzmanlaşmış bilgiyi kolayca unutuyoruz.
  Yarı iletken endüstrisinin tarihini ve güncel ikilemlerini daha derinlemesine görmek isterseniz Chris Miller’ın Chip War kitabını da şiddetle öneririm.

• Biraz bağlantılı olarak, bir lise öğrencisinin ailesinin garajında “düşük bütçeyle” kendi yarı iletken fab’ını yaptığı bir video var.
  https://youtube.com/watch?v=IS5ycm7VfXg
  Çok ilginç bir video, ama bu fikri daha ileri taşımamış olması biraz üzücü.
  Evde 6502 gibi bir şey yaptığını gerçekten görmek isterdim.

  • Sam artık Jim Keller (eski AMD) ile birlikte Atomic Semi’yi kuruyor.
    https://atomicsemi.com/about/#:~:text=general%20fabrication%20equipment.-,Team,-Atomic%20was%20founded

• Özellikle şu kısım dikkatimi çekti: En ileri düğümleri işletmeye çalışan şirket sayısının bugün TSMC, Samsung ve Intel gibi çok az şirketle sınırlı olduğu; endüstrinin Apple veya Nvidia’nın çip tasarlayıp TSMC gibi foundry’lerin ürettiği fabless modele kaydığı anlatılıyor.
  Birden fazla çip şirketinin siparişleri bir araya getirildiğinde foundry, en ileri fab’ı kaldırabilecek ölçeğe ulaşabiliyor.
  Uzun vadede AI eğitiminin de benzer hale gelip gelmeyeceğini merak ediyorum; hatta bugün bile bunun kısmen böyle olduğunu düşünüyorum.

  • Zaten öyle oldu.
    GPT eğitim maliyetleri modelden modele üstel biçimde arttı ve milyonlarca dolar seviyesinde.
    En yeni GPT-4 rakiplerinin Meta veya Google olmasının yeterince iyi bir nedeni var.

• İlginç bir yazı.
  “Moore’un ikinci yasası” ya da Rock yasası, yarı iletken fab maliyetinin her 4 yılda bir ikiye katlandığını söyler; bu doğru kalmaya devam ederse 30 yıl içinde tek bir fab’ın maliyeti 3 trilyon doları aşar.
  Bu da yalnızca ekonomik nedenlerle bile düğüm iyileştirmeleri için sert bir üst sınır oluşacağı anlamına geliyor.

  • Sam Altman kısa süre önce çipler için 7 trilyon dolar toplamaya çalışıyordu; belki de o eğrinin önüne geçmeye çalışıyordur.
  • Bu hesabın epey isabetli olması ilginç.
    30 yıl önce Microsoft’un piyasa değeri yaklaşık 20 milyar dolardı, bugün ise 3 trilyon dolar.
    Aynı şeyin yeniden yaşanması hiç de garip olmaz.

• İş gereği birçok büyük inşaat sahasına gittim.
  “Bu 40 milyon dolarlık bir proje” dendiğini duyup sayısız işçinin, ekipmanın ve malzemenin hareket ettiğini görünce, 40 milyon doların hareket etmesi tam olarak böyle bir şeymiş diyorsunuz.

  • O paranın önemli bir kısmı izinlere, idari işlere ve sigortaya gider.
    Gerçekte gördüğünüz şey, bürokrasi tarafından başarıyla yutulmamış 10 milyon~20 milyon dolar civarı olabilir.

• Computer History Museum, 2007’de TSMC kurucusu Morris Chang ile bir sözlü tarih röportajı yaptı.
  Chang, Çin anakarasından Taiwan’a, ardından ABD’de eğitim ve işe uzanan kişisel hikâyesini anlattı; MIT doktora başvurusu reddedilmişti ama şans eseri hızla büyüyen bir sektör yoluna girdi.
  Yeterli servet, sektör içgörüsü ve bağlantı biriktirdikten sonra Taiwan’a dönüp TSMC’yi kurdu; sonrası bilinen tarih.
  Ayrıca Asya ve ABD’deki mühendislik tarzlarını da karşılaştırdı: Asyalı mühendislerin daha sistematik, daha çalışkan ve daha düzenli; Amerikalı mühendislerin ise daha yenilikçi ama daha az sistematik ve daha az düzenli olma eğiliminde olduğunu düşünüyordu.
  Aynı zamanda yenilikçi gruplarla sistematik grupların birbirini tamamlayabileceğini de söyledi.
  https://archive.computerhistory.org/resources/access/text/2013/05/102658129-05-01-acc.pdf

• Biraz bağlantılı bir soru: Intel’in ASML’den EUV ekipmanı alıp almadığını merak ediyorum.
  High-NA ekipmanı değil, normal EUV ekipmanını kastediyorum.
  İnternette yanıt bulamadım, ama Ireland’daki yeni fab normal EUV kapsamındaymış gibi görünüyor.

  • Herkes ASML’den almak zorunda ve isteseler bile bekleme sırası var.
    Ezici karmaşıklık ve maliyet yüzünden gerçekçi bir rakip çıkma ihtimali neredeyse yok.
    Milyarlarca dolarlık fab’lar da yeni bir şirketin ekipmanıyla deneme yapmak istemez.
  • EUV ekipmanı alabileceğiniz başka bir yer yok.
    ASML dünyadaki tek tedarikçi.
    Ireland’daki Fab 34, ilk ASML EUV ekipmanını iki yıl önce teslim aldı.
    High-NA EUV ekipmanının bu nesil fab’lara gireceğini sanmıyorum; ilk ekipman birkaç ay önce Intel’in geliştirme fab’ına gönderildi.
• 1. adım: 20 milyar dolar bul
  2. adım: 20 milyar dolarlık yarı iletken fab’ı inşa et
     https://knowyourmeme.com/memes/how-to-draw-an-owl