EUV’sız İleri Seviye Çipler Üretebilir ama Maliyet Sürekli Artıyor.

İhracat kontrolleri, ASML’in en gelişmiş EUV litografi makinelerinin Çin’e girişini engelledi. Bunun yerine ülkenin yongalık (çip) üretimi, daha az kapasiteli derin ultraviyole (DUV) litografi makinelerine dayanıyor. Kritik çip katmanlarına birden fazla pozlama uygulayan bu eski makineler, yine de performanslı silikon üretme yeteneğine sahip. Ancak birden fazla desen uygulandığında kusur oluşma olasılığı artıyor, üretim süreleri uzuyor ve maliyetler yükseliyor. Yarı iletken şirketi Fractilia’nın kurucularından ve teknoloji sorumlusundan (CTO) Chris Mack gibi uzmanlarla görüştük; DUV’nin ne kadar daha ileri gidebileceğini araştırdık.

Yıllardır aşırı ultraviyole (EUV) litografi, Çin’in en uçak çipler üretme çabalarındaki en büyük darboğaz olarak görülüyordu. Yalnızca Hollandalı üretici ASML’in yaptığı makineler, modern işlemcilerde bulunan en karmaşık özelliklerden bazılarını basmak için 13,5 nm dalga boyunda ışık kullanıyor. ASML’in EUV sistemlerinin satışı ihracat kısıtlamalarına tabi ve bu da Çinli üreticileri, eski derin ultraviyole ya da DUV litografiden giderek daha fazla verim almaya zorluyor. Bazı analistlere göre, Çin ile Batı arasındaki EUV açığı en az yarım asır.

Ancak EUV makinerine erişimi olmasa da Çin, mevcut teknolojiyle sunduğu şeyi yeniden yaratmada şaşırtıcı derecede ilerledi.

2023’te Huawei Mate 60 Pro’nun sökülmesiyle, telefonun Kirin 9000S işlemcisini SMIC’nin EUV kullanmadan ikinci nesil 7 nm sınıfı bir üretim süreciyle yaptığı bulundu. Daha yakın zamanda, Huawei’nin Kirin 9030 üzerinde yapılan analiz, SMIC’nin DUV tabanlı sürecini 5 nm üretimiyle ilişkilendirilen yoğunluğa daha da yaklaştırdığını ortaya koydu — ancak TSMC ve Samsung’un kullandığı önde gelen süreçlerin gerisinde kalmaya devam etti.

Çoklu desenleme

Tüyü, çoklu desenlemede yatıyor. Çinli üreticiler, aşırı karmaşık bir çip katmanını tek geçişte basmaya çalışmak yerine, karmaşık tasarımı birkaç daha basit desene bölüyor. Süreci yeterince tekrarladığınızda, niyet ettiğiniz doğru katmana yaklaşan bir şeyi kazıyabiliyorsunuz.

Teknik işe yarıyor. Ancak litografi uzmanı ve Fractilia’nın kurucu ortağı ile CTO’su Chris Mack’e göre, bir çipin EUV’siz üretilebileceği sorusu, üreticilerin bunu başarmak için yaptığı maliyet muhasebesinin getirdiği ödünleri görmezden gelmek demek.

“Bu geçiş ilk başladığında, sektörün içindeki herkesin ‘kavrayışı’ şu şekildeydi: maliyet açısından, bir 193 daldırmalı cihazda yapılan üç pozlamanın maliyeti, bir EUV cihazında yapılan bir pozlamanın maliyetiyle neredeyse aynıydı,” dedi Mack, Tom’s Hardware Premium‘e verdiği röportajda. “Üçte durum neredeyse dengediydi,” diye ekledi Mack. “Ancak dört maskeye ulaştığınız anda – 193 maskelerinin tek bir EUV maskesiyle değiştirilmesiyle – EUV daha maliyet etkin hale geldi.”

Aynı zamanda daha az kusurlu, daha kaliteli bir ürün üretme ihtimali de yüksek. Her wafer desenlendiğinde, yeni desen altta zaten kazınmış olan her şeyle kusursuz şekilde hizalanmak zorunda. Tek bir katmanı üretmek için gereken ayrı ayrı pozlama sayısı arttıkça, işlerin yolundan çıkması için de o kadar çok fırsat oluşur. “Diyelim ki dört 193 maskeniz var; o zaman o kadar farklı üst üste binme (overlay) ve o kadar farklı işlem varyasyonunuz var ve bunlar birikmeye başlıyor,” dedi Mack.

Çip tasarımcıları, bunu parçaların etrafına daha fazla boşluk bırakarak önlemeye çalışabilir; böylece bitmiş işlemci güvenilir şekilde üretilebilir. Ancak bu, çipin büyümesi anlamına gelir – ve büyük çipler çok hızlı biçimde pahalılaşır. Her bir die’in büyütülmesi, her wafer üzerine daha az die oturması demek; waferler de çok paraya mal olur – tanesi on binlerce dolar.

“Wafer satmazsınız, die satarısınız,” dedi Mack. “Sorun şu: Bu wafer üzerine kaç die sığdırabilirim, o die’lerin kaçı isabetli (yield) oluyor ve dolayısıyla wafer başına kaç çip satabilirim?”

Efiksyon açığı

Bu verimlilik açığının pratikte nasıl görünebileceğine dair bazı kanıtlar var – üstelik mantık yongaları yerine hafıza yongalarında. Haziran ayında yayımlanan bir raporda Morgan Stanley, Çinli DRAM üreticisi CXMT’nin wafer başına batı rakiplerinin ancak yaklaşık üçte biri kadar bit üretiyor olduğunu tahmin etti. Analistler, eski işlem düğümünün bu açığın ancak yaklaşık üçte birini açıkladığına inanırken, fotolitografi erişiminin Çin hafıza geliştirmesi için bir “kesin tavan” olduğunu belirtti. “Gelişmiş mantık yongaları için, teorik olarak EUV’nin etrafından mühendislikle çözülebilecek diğer yenilikler olabilir, ancak bunların çok verimli ve etkili olmaları beklenmiyor,” dedi Copenhagen Business School’dan araştırmacı Douglas Fuller, Tom’s Hardware Premium‘e yaptığı açıklamada.

Aynı zamanda bu, Çin’in belirli bir yarı iletken işlem “düğümüne” ulaştığına dair iddiaların dikkatle değerlendirilmesi gerektiğini de açıklıyor. “Birisi ‘X düğümü’ – yedik nanometre düğümü, beş nanometre düğümü, üç nanometre düğümü – derse, bu neredeyse hiçbir anlam taşır,” dedi Mack.

Bu, SMIC’in en son yongalarında görülebilir. Yapılan raporlar, N+3 işleminin 5nm sınıfı üretime doğru anlamlı bir ilerleme kaydettiğini gösteriyor – ancak gerçek ölçümler, Samsung ve TSMC’nin yerleşik 5nm süreçlerinden önemli ölçüde daha az ölçeklendirildiğini gösteriyor. Bu, DUV’nin kullanışlı kullanımının sonuna geldiği anlamına gelmiyor.

UVB’nin etkinliğinin zorlanması

Micron, UVB’nin ne kadar uzatılabileceğine dair bir örnek; UVB, çoklu kalıplama ve sıkı süreç kontrolü kullanarak rekabetçi DRAM yongaları üretiyor. 1-alpha neslindeki yongaları EUV olmadan geliştirdi. “193’ü hafıza üreticilerinin hiçbiri yapmadığı kadar ileri taşıdılar,” dedi Mack. “Samsung ve Hynix’in çok katmanlı EUV ile üretirken, 100% 193 ile çok rekabetçi yongalar üretmeyi başardılar.”

Morgan Stanley, CXMT’nin HBM3e için kullanmak istediği 1-alpha DRAM’a yönelik planlı geçişinin EUV erişimi olmadan başarılabilir olduğuna inanıyor ve kanıt olarak Micron’a atıfta bulunuyor. Aslında, “On yılın sonuna kadar gelişmiş paketleme, firmaların UVB’yi kullanarak DRAM’ın en son nesillerini üretmesini sağlayacak,” diyor Fuller.

Micron, ürünlerini aynı zamanda kendisine ulaşabilir üretim teknolojisi etrafında tasarladı; eski ekipmanlar üzerinde bir EUV sürecini yeniden yaratmaya çalışmak yerine – bu, Çinli üreticiler için faydalı bir ders olabilir. “Çin’in 193 daldırmalı sistemin tüm ekosistemi mevcut olsaydı,” Mack, “muhtemelen 193 çoklu kalıplama konusunda ileri gidebilirler, özellikle de kullanacakları gerçeği için tasarımları optimize ederlerse.”

Ancak Micron, hafıza üretiyordu; son derece tekrarlayan yapıları, telefonlar ve bilgisayarlarda bulunan çok daha karmaşık mantık işlemcilere kıyasla, çip tasarımı ile üretim arasında yakın koordinasyonu kolaylaştırıyor.

“Hafıza, mantıktan çok daha kolay,” dedi Mack.

Ve Micron, sonunda EUV’nin kullanılmasının değerli olduğuna karar verdi. Daha yeni 1-gamma DRAM süreci, EUV litografisi kullanıyor; Micron, teknolojinin, bir önceki 1-beta nesline göre wafer başına 30%’den fazla daha fazla bit yoğunluğu elde etmesine yardımcı olduğunu söylüyor.

EUV, neredeyse sihirli bir değnek de değil. Mack, stochastic etkilere – bir açılım sırasında dahil olan fotonların az sayısından kaynaklanan küçük rastlantısal değişimlere – işaret ediyor; bunlar, üreticilerin EUV açılım dozunu artırarak kalıp kontrolünü iyileştirmelerine olanak tanıyor. Ancak maliyeti de hızla yukarı itiyor.

Bu nedenle, Mack, çoklu kalıplamanın EUV’ye ekonomik olarak yerini alabileceği konusunda nihayetinde bir sınır olduğuna inanıyor. “Bana göre, üç nanometre ya da iki nanometre düğümünün EUV olmadan ekonomik açıdan sürdürülebilir olacağına inanması zor,” dedi.

Bu, Çinli çip üreticilerinin basitçe teknolojik bir duvara çarpıp durmayacağı anlamına gelmiyor. Daha büyük çipleri, daha düşük verimleri, daha uzun üretim sürelerini – ya da bunların bir kombinasyonunu – kabul ederek DUV’yi kullanmaya devam edebilirler.

AYNI ZAMANDA kapasite ve para yatırarak sorunun bir bölümünü de çözebilirler. Morgan Stanley, CXMT’nin EUV olmadan 1-alpha sürecinde takılı kalacağını öngörse de, sadece yeni yeşil saha üretim kapasitesi kurarak küresel DRAM bit arzındaki payını 2026’daki %14’ten 2028’de %16’ya çıkarmayı öngörüyor. Banka, aynı zamanda yeni gelişmiş düğüm kapasitesi, artan verimlilik ve yoğun devlet desteğiyle Çin’in AI çip kendi kendine yetkinliğinin 2025’teki %42’den 2030’a kadar %70’e yükselmesini bekliyor; ancak EUV, HBM ve gelişmiş yazılım kalıcı bir açık bırakıyor. Üstelik EUV olmadan uzmanlar, Çin’in Batı ile arasındaki açığı kapatmada yalnızca bir miktar ilerleyebileceğini tahmin ediyor. “Üç nanometre ya da iki nanometre düğümün EUV olmadan gerçekten ekonomik açıdan sürdürülebilir olacağına inanması benim için çok zor,” diyor Mack.