Derin Okuma — SMIC

Şangay banliyösünde bir vızıltı

Şangay'ın Zhangjiang yüksek teknoloji parkında, hava filtresi ünitelerinin sabit uğultusu altında, bir dizi makine silikon dilimleri işliyor. Dışarıdan bakıldığında tipik bir yarı iletken fabrikası. Fakat temiz odanın içindeki bir mühendis, kırmızımsı-turuncu bir lazerin yansımasını izlerken, bu tesisin dünyanın geri kalanındaki muadillerinden temel bir farkla çalıştığını biliyor. SMIC'in en gelişmiş hattı, çip endüstrisinin kutsal kasesi sayılan bir aleti kullanmıyor. Hollanda'dan gelecek o kutu, bu koridorlara hiç girmedi. Buna rağmen, aynı temiz odadan çıkan silikon dilimler, akıllı telefon işlemcilerine güç veriyor. Yasaklanmış bir makine olmadan, yasaklanmış bir performansın nasıl mümkün olduğu, sadece bir teknoloji değil, bir maliyet ve sabır sorusu aynı zamanda.

İnce fırça evreni

Bir duvarı boyadığını düşün. İnce bir fırça ile geniş yüzeyleri boyamak, büyük bir ruloya kıyasla çok daha fazla zaman ve boya gerektirir. Fırça darbeleri defalarca üst üste biner, her katmanın kuruması beklenir, kenarlar bulandıkça iş yeniden yapılır. Yarı iletken litografisinde de benzer bir mantık var. Bir çipin üzerine transistör çizmek için kullanılan ışığın dalga boyu ne kadar küçükse, o kadar ince detaylar basılabilir. 5 nanometrelik dalga boyuyla ekstrem ultraviyole ışık, duvarı boyamak için milimetrik uçlu bir airbrush kullanmak gibidir.

SMIC'in elindeki en iyi aletler ise, derin ultraviyole ışık kullanan daldırma litografi makineleridir. Dalga boyu 193 nanometredir. Aradaki fark, bir tükenmez kalemle duvar boyamak ile airbrush arasındaki fark gibidir. SMIC'in yaptığı şey, bu kalemin ucunu giderek daha fazla bastırarak, airbrush'ın detayına yaklaşmaya çalışmaktır. Bastırmak, burada bir metafordan ibaret değil. Her ekstra baskı, milyonlarca dolarlık makine zamanı, tonlarca kimyasal ve nanometre altı hizalama hassasiyeti anlamına gelir.

Kalıp üstüne kalıp

### Işığın kırınımıyla pazarlık

DUV makineleri tek seferde 7 nanometrelik bir kapı aralığı çizemez. 35'lik bir numerik açıklık ile, teorik olarak yaklaşık 38 nanometrelik bir minimum yarım-pitch çözünürlüğe izin verir. Daha küçük detaylar için ışık, bir dizi maske ve mercek aracılığıyla manipüle edilir. SMIC mühendisleri, tek bir transistör katmanını iki, üç veya dört ayrı maske kullanarak basar. Yöntemin adı çoklu desenlemedir. İlk maske, transistörün bir yarısını çizer.

Silikon dilim, aşındırma ve biriktirme adımlarından geçer. İkinci maske, kalan yarıyı, ilk desenin tam ortasına denk gelecek şekilde yerleştirir. 7 nanometrelik bir düğüm noktasında, kritik katman başına dört adede kadar litografi-geçişi gerekebilir. Her bir geçiş, dilimin makineye yeniden yüklenmesi, hizalanması ve pozlanması anlamına gelir.

Hizalama toleransı 2 nanometrenin altındadır. 8 mikrometrelik bir termal genleşmeye yol açar. Hizalama işaretleri arasındaki mesafe düşünüldüğünde, bu genleşme desen kayması olarak doğrudan nanometre ölçeğine yansır. 1 derece altında veya üstünde tutulacak şekilde kontrol edilir. Titreşim ise ayrı bir düşmandır. Litografi makinelerinin oturduğu beton kaideler, çevredeki otoyollardan ve metro hatlarından gelen sismik gürültüyü sönümlemek için aktif pnömatik yalıtım sistemleriyle donatılmıştır.

5 nanometreden küçük olması gerekir. Dört geçişli bir süreçte, bu hassasiyetin her seferinde tekrarlanabilir olması şarttır. Tek bir geçişteki 1 nanometrelik kayma, sonraki geçişte telafi edilemez çünkü aradaki aşındırma adımı silikon yüzeyini geri dönülemez biçimde değiştirmiştir.

### 1980'lerin kimyasıyla 2020'lerin transistörü

Işığın yetmediği yerde kimyasal süreçler devreye girer. Kendi kendine hizalanan çift desenleme, SMIC'in en kritik silahıdır. Yöntemde, ilk litografi adımı bir kurban yapı oluşturur. Yapının üzerine, kimyasal buhar biriktirme ile bir ara katman kaplanır. Daha sonra bu katman, plazma aşındırma ile anizotropik olarak geri soyulur. Geriye sadece kurban yapının yan duvarlarında ince bir aralayıcı kalır.

Aralayıcı, orijinal desenin kopyasıdır fakat iki kat daha incedir. Kurban yapı kaldırıldığında, aralayıcıdan oluşan yeni desen, orijinal litografinin çözemediği incelikte transistör kanalları tanımlar.

SMIC'in 7 nanometre prosesi, bu tekniğin FinFET transistör mimarisine uyarlandığına dair güçlü kanıtlar taşır. FinFET'te transistörün kanalı, silikon yüzeyinden yukarı doğru yükselen dikey bir yüzgeçtir. Yüzgecin genişliği, transistörün elektriksel karakteristiğini belirleyen en kritik boyuttur. 7 nanometrelik bir düğüm noktasında bu genişlik 6 ila 8 nanometre aralığında hedeflenir. SMIC, bu boyutu doğrudan litografi ile basmak yerine, önce 20-25 nanometrelik bir kurban yapı basar. Ardından, plazma ile güçlendirilmiş kimyasal buhar biriktirme kullanarak, bu yapının üzerine 10-12 nanometre kalınlığında bir silikon dioksit aralayıcı kaplar.

Kullanılan kimyasal öncüller, 1980'lerden beri bilinen tetraetil ortosilikat ve oksijen plazmasıdır. Fark, süreç kontrolünün hassasiyetindedir. Aşındırma odasındaki basınç 5 ila 50 miliTorr aralığında tutulur.

Plazma gücü, 5 Watt'lık adımlarla ayarlanır. 3 nanometreden fazla sapma varsa dilim yeniden işlenir veya ıskartaya çıkarılır.

Kurban yapı kaldırıldıktan sonra geriye kalan aralayıcı, sert maske olarak kullanılır. Alttaki silikon, bu sert maskenin desenine göre aşındırılır ve yüzgeçler oluşturulur. Aşındırma seçiciliği, yani silikonun aşınma hızının sert maskenin aşınma hızına oranı, en az 10:1 olmalıdır. Aksi takdirde sert maske, silikon yeterince derin aşındırılamadan tükenir ve yüzgeç yüksekliği tutturulamaz. SMIC'in bu seçiciliği sağlamak için kullandığı gaz karışımı, hidrojen bromür ve oksijenin belirli bir oranıdır. Oran, aşındırma odasının duvarlarında biriken polimer kalıntılarına bağlı olarak günden güne kayar.

Proses mühendisleri, her 50 dilimde bir, boş bir temizleme dilimi çalıştırarak odanın durumunu sıfırlar. Yirmi yıllık bir kimya, yepyeni bir transistör üretir fakat bu üretim, sürekli bir ince ayar savaşıdır.

### Verim denklemi ve dördüncü geçişin bedeli

Her ekstra litografi geçişi, bir maliyet ve kusur kaynağıdır. Tek bir kritik katman için dört geçiş yapıldığında, bu katmanın toplam işlem süresi dört katına çıkar. Bir DUV makinesi saatte yaklaşık 275 dilim işleyebilir. Fakat çoklu desenleme, makinenin aynı dilimi tekrar tekrar işlemesi demek olduğu için, efektif kapasite dörtte bire düşer. Saatte 70 dilime iner. Aylık 30.000 dilim kapasiteli bir EUV hattının yaptığı işi yapmak için, SMIC'in aynı sayıda DUV makinesiyle ayda ancak 7.500 dilim çıkarabilmesinin nedeni budur.

Üstelik her geçiş, kusur yoğunluğuna katkıda bulunur. 05 kusur ekler. Dört geçiş sonunda bu oran katlanarak değil, litografik olmayan adımlarla etkileşime girerek artar. Aşındırma adımları, litografide oluşan nano-ölçekli pürüzleri büyütebilir. Kimyasal mekanik parlatma, alttaki katmanlardan gelen topografyayı düzleştirirken yeni mikro-çizikler yaratabilir. SMIC'in bu bağlamdaki başarısı, kusur yoğunluğunu DUV için olağanüstü düşük bir seviyede tutabilmesinden gelir. 2019'da bu seviyeye dair bir veri yoktur fakat 2023'teki sevkiyat hacimleri, işlevsel kalıp veriminin yüzde 50 bandını aştığını ima eder.

Verim, çip endüstrisinde Poisson istatistiği ile modellenir. Bir dilimdeki kusur sayısı arttıkça, sıfır kusurlu kalıp bulma olasılığı üstel olarak düşer. 2 kusur yoğunluğunda dahi Poisson verimi yüzde 25 civarındadır. 1'in altına çektiğini gösterir. Oran, EUV kullanan bir rakibin yüzde 80'lik veriminin yanında düşüktür fakat yoktan var edilen bir üretim hattı için ekonomik olarak uygundur. Dahası, SMIC'in müşterileri bu verimi bilerek fiyatlandırma yapar.

Huawei'nin Kirin 9000S işlemcisi, SMIC'in 7 nanometre hattından çıktığında, çip başına maliyet TSMC'nin 5 nanometre çiplerinden daha yüksektir. Fakat jeopolitik bir tedarik zincirinde, maliyet ikinci plandadır.

### DUV'un fiziksel sınırında çalışmak

Çoklu desenlemenin ötesinde, SMIC'in bir diğer zorunlu tercihi, litografi sürecinin kendisini aşırı uçlara itmektir. Daldırma litografide, mercek ile dilim arasındaki boşluk ultra-saf su ile doldurulur. 35'e çıkarır. 01 derece hassasiyetle kontrol eder çünkü kırılma indisi sıcaklıkla değişir. 01 derecelik bir dalgalanma, odak düzleminde 10 nanometrelik bir kaymaya yol açar.

Odak derinliği ise 7 nanometrelik düğüm noktasında sadece 80 nanometre civarındadır. Dilim üzerindeki topografya, yani önceki katmanlardan gelen yükseklik farkları, bu derinliğin önemli bir kısmını tüketir. SMIC, kimyasal mekanik parlatma adımında dilim içi yükseklik farkını 10 nanometrenin altında tutmak zorundadır.

Fotorezist seçimi de kritik bir ödünleşimdir. Yüksek çözünürlüklü rezistler, daha ince detayları basabilir fakat aşındırma direnci düşüktür. SMIC, 7 nanometre prosesinde muhtemelen metal oksit bazlı inorganik rezistler kullanır. Rezistler, geleneksel organik polimerlere göre daha yüksek aşındırma seçiciliği sunar fakat pozlama dozu hassasiyeti milijoule bölü santimetrekare seviyesindedir.

Doz, yüzde 1 saptığında, basılan desenin kritik boyutu 1 nanometre değişir. SMIC'in makineleri, her pozlamada dozu gerçek zamanlı olarak ölçer ve bir sonraki dilim için telafi eder. Makine öğrenmesi algoritmaları, geçmiş dilimlerin taramalı elektron mikroskobu görüntülerinden gelen geri bildirimle, pozlama dozunu ve odak kaymasını sürekli günceller. DUV'un fiziksel sınırında çalışmak, her değişkenin bir diğerine bağlandığı, çok boyutlu bir optimizasyon problemidir.

Piyasa Hafızası

2019 EUV Yasağı ve Görünmez Stok Hamlesi 2019 yılının ortalarında, Hollanda hükümeti ASML'nin en gelişmiş EUV litografi makinesinin (Twinscan NXE, 3400B) Çin'e ihracat lisansını yenilemedi. SMIC, 2018'de bir adet EUV makinesi sipariş etmiş, yaklaşık 120 milyon Euro'luk ödeme yapılmıştı. Makine, Veldhoven'daki fabrikadan hiç ayrılmadı. SMIC'in o dönemki mali tablolarına yansımayan bir karşılık ise, şirketin 2019'un ikinci yarısında ASML'nin daha eski modeli olan Twinscan NXT, 2000i DUV makinelerinden büyük bir stok oluşturmasıydı. Toplam sevkiyatın detayları hiçbir zaman açıklanmadı fakat sektör takipçileri, 2019-2020 arasında SMIC'in DUV kapasitesini en az yüzde 30 artırdığını hesapladı. Çıkarılan ders, yasağın bir teknolojiyi değil, bir mimariyi yasakladığıdır.

EUV gidince, SMIC'in elinde kalan tek şey, aynı DUV platformunun daha fazla sayıda birimiyle, daha fazla işlem adımı atarak aynı hedefe varmaktı. Yaptırım, bir kıtlık değil, bir maliyet ve zaman çarpanı yarattı.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçek.

Şimdi bir duyarlılık twisti yapalım. 500 $ olduğunu varsayalım. Dilim başına 800 çipten, SMIC'in verimi yüzde 50, TSMC'nin verimi yüzde 85 olsun. SMIC bir dilimden 400 işlevsel çip, TSMC ise 680 işlevsel çip çıkarır. 6 $ olur. Fakat bu hesap, SMIC'in işçilik ve enerji maliyetlerinin daha düşük olduğu gerçeğini içermez.

Enerji, bir çip fabrikasının işletme maliyetinin yüzde 30'una kadar çıkabilir ve SMIC'in bulunduğu bölgede endüstriyel elektrik fiyatları, Tayvan'ın bilim parklarına kıyasla yaklaşık yüzde 15-20 daha düşüktür. Yine de aradaki ana fark, verim ve ekipman amortismanıdır. SMIC'in makineleri daha fazla çalışır, daha sık bakım gerektirir ve daha fazla kimyasal tüketir. Ekonomi, imkansız değildir fakat acımasızdır. SMIC bu çipleri satarken, fiyatı TSMC'nin altında tutarak pazar payı alabilir fakat brüt kar marjı, TSMC'nin yüzde 50-55'lik seviyesine karşılık yüzde 20-25 bandında sıkışır. Marj, yeni nesil yatırımları finanse etmek için yeterli değildir fakat mevcut hattı döndürmek ve jeopolitik bir varlık göstermek için yeterlidir.

Yasağın ürettiği ekonomi

SMIC'in 7 nanometre hikayesi, bir teknoloji mucizesinden çok, bir endüstri mühendisliği ve maliyet optimizasyonu anlatısıdır. Hikayeden çıkarılacak üç katmanlı ders var. Birincisi, yarı iletken üretiminde fiziksel sınırlar, onları delmek için harcanan para ve zamanla doğrudan orantılı olarak genişler. SMIC, 193 nanometrelik ışıkla 7 nanometrelik yapılar basmanın imkansız olmadığını, sadece çok pahalı olduğunu gösterdi.

İkincisi, bir yaptırımın asıl etkisi, hedef aldığı teknolojiyi ortadan kaldırmak değil, o teknolojiye ulaşmanın maliyet eğrisini dikleştirmektir. SMIC, EUV olmadan 7 nanometre üretebilir fakat bu üretimin her bir dilimi, TSMC'nin 3 nanometre üretimi kadar karmaşık ve maliyetli bir süreçten geçer. Yaptırım, SMIC'i rekabetten koparmadı fakat onu, her birim çıktı için daha fazla kaynak tüketen bir verimsizlik sarmalına hapsetti.

Üçüncü katman ise, bu çabanın yapay zeka çip arzı için yarattığı çıkmazdır. Büyük dil modelleri, hesaplama yoğunlukları nedeniyle en gelişmiş düğüm noktalarında, en yüksek verimle üretilmiş çiplere ihtiyaç duyar. SMIC'in ürettiği çipler, akıllı telefon işlemcileri için yeterli transistör yoğunluğunu sağlasa da, bir veri merkezi GPU'sunun gerektirdiği devasa kalıp boyutlarında, çoklu desenlemenin kusur oranı katlanarak artar. 600 milimetrekarelik bir yapay zeka hızlandırıcısı üretmeye çalıştığınızda, SMIC'in yüzde 50'lik verimi hızla sıfıra yaklaşır.

Yani SMIC, yasağın açtığı kapıdan yürüyerek geçti fakat o kapı, yapay zekanın ihtiyaç duyduğu devasa silikon saraylara açılmıyor. Sadece daha mütevazı evlere, belki de arka bahçeye açılıyor. Temiz odadaki o lazerin turuncu parıltısı, bir zaferin değil, pahalı ve inatçı bir ayakta kalışın rengidir.