Yarı İletkenleri İleri Taşıma – ‘Donut’ Işınları ve ‘Lego’ Blokları Endüstri Yaklaşımlarını Altüst Edebilir mi?

Elektronik cihazların temel bir bileşeni olan yarı iletkenler, günlük yaşamımızın dokusuna kadar işlenmiştir. Bu küçük ama güçlü öğeler, modern teknolojinin temel taşıdır ve bilgisayar, iletişim, temiz enerji, sağlık hizmetleri, ulaşım, askeri sistemler ve birçok diğer kritik uygulamada yenilikleri yönlendirir. 

Küresel yarı iletken pazarının büyüklüğünün aslında $1.38 trilyon 2029’a kadar, 2022’deki $573.44 milyar’dan artması bekleniyor.

Yarı İletkenlerdeki Gelişmelere Bir Bakış

Yarı iletkenler, bir yalıtkandan daha fazla ama saf bir iletkenden daha az elektrik ileten malzemelerdir. Saf elementler ya da bileşikler olabilen bu malzemeler, içine az miktarda safsızlık eklendiğinde iletkenliklerinde önemli bir dönüşüm yaşar.

Yarı iletkenler sayesinde radyolar, televizyonlar, akıllı telefonlar, bilgisayarlar, video oyunları ve gelişmiş tıbbi tanı ekipmanlarına erişebiliyoruz. Son birkaç on yılda yarı iletken teknolojisindeki ilerlemeler, bu elektronik cihazların daha küçük, daha hızlı, daha ucuz ve daha güvenilir olmasını sağladı.

Entegre devreler (IC’ler) ya da mikroçipler olarak da adlandırılan yarı iletkenler, yaşam biçimimizi devrim niteliğinde değiştirmiş, çalışma, iletişim, seyahat, hastalık tedavisi, eğlence ve enerji kullanım şekillerimizi etkilemiştir.

Modern teknolojinin temel yapı taşları olarak yarı iletkenler, dünyanın en büyük atılımlarını yönlendirmeye devam ediyor ve muazzam bir potansiyele sahiptir.

Yarı iletken endüstrisindeki en heyecan verici yeniliklerden bazıları, düşük sıcaklıklarda çalışan yeni yarı iletken türlerine ihtiyaç duyan kuantum bilişim; insan beyninin yapısını ve işlevini taklit ederek akıllı makineler için bilgisayar çipleri geliştirmeyi amaçlayan nöromorfik bilişim; bilgisayar çipleri arasında veri aktarımını ışıkla gerçekleştiren silikon fotoniği; ve yüksek performanslı elektronik cihazların geliştirilmesi için kritik olan gelişmiş paketleme teknolojileridir.

Bu gelişmiş yarı iletken çözümler, çeşitli endüstrilerde giderek daha önemli hâle gelen Yapay Zeka (AI)‘nın kilit bir rol oynamasını sağlayacaktır. Yarı iletkenler, AI uygulamalarının karmaşık görevleri daha verimli bir şekilde yerine getirmesine yardımcı olur. Ayrıca yarı iletkenlerin otonom araçlar, akıllı görüntü işleme sistemleri ve yenilenebilir enerji sistemlerinde büyük bir potansiyeli vardır.

Yarı İletken Üretimi

Yarı iletken endüstrisinde odak, daha küçük, daha hızlı ve daha ucuz ürünler üretmek üzeredir; bu hedef, aynı çip üzerinde daha fazla güç yerleştirilebilmesi ilkesine doğrudan bağlanır. Bu kompaktlık, bir çip üzerindeki transistör sayısı arttıkça çipin daha hızlı çalışması nedeniyle kritiktir.

Moore Yasası burada devreye girer; “yoğun bir entegre devredeki transistör sayısı yaklaşık her iki yılda bir iki katına çıkar” denir. Bu, çip üreticilerinin sürekli yenilik yapma, daha verimli ve daha ucuz yarı iletkenler sunma, kalite kontrolünü sağlama ve ürünün hızlı bir şekilde satışa sunulması konularında baskı altında olduklarını gösterir.

Yarı iletken endüstrisinin talebinin büyük kısmı akıllı telefonlar ve endüstriyel ekipmanlardan gelmektedir, ancak AI, IoT ve otonom araçların ortaya çıkışı sektöre yeni bir bakış açısı getirmiştir. 

Şimdi, artan talep yarı iletken firmalarını araştırma ve geliştirmeye daha fazla odaklanmaya, işlevselliği artırmaya ve üretim sürelerini daha verimli hâle getirmeye zorlamaktadır. Bu gereksinimler, sektörde özellikle daha küçük, daha güçlü çipleri uygun maliyetle sunma sorununu en büyük zorluk haline getirmiştir.

Ayrıca, yenilikler yarı iletken endüstrisindeki üretim süreçlerinin karmaşıklığını artırmıştır. Bu karmaşıklığın artması, AI şirketlerinin sürekli artan talebiyle daha verimli tedarik zincirlerine duyulan ihtiyacı da doğurur. Bu, yalnızca çeşitli performans yeteneklerini değil, aynı zamanda daha kısa teslim sürelerini de gerektirir.

Yarı iletken çiplerin üretimi, wafer’ın saflaştırılması, entegre devreleri oluşturmak için birden fazla katmanın inşa edilmesi ve ardından çoklu bileşenlerin son ürüne montajı ve paketlenmesini içerir.

Dolayısıyla, yarı iletken üreticileri, malzeme yönetimi, geri dönüşüm ve süreç iyileştirmeleri gibi operasyonlarının kritik yönleriyle başa çıkmak zorundadır. Ancak zorlukların kapsamı sadece bunlarla sınırlı değildir; jeopolitik faktörler de kaynak bulunabilirliğini ve ticareti önemli ölçüde etkiler; bu durum ABD ve Çin arasındaki örnekle gösterilmiştir.

Bir süredir tedarik zinciri sorunları, sektördeki en önemli sorunlardan biri olmuştur. Bu durum, jeopolitik gerilimler ve ticaret anlaşmazlıkları gibi faktörlerle daha da karmaşık hâle gelmekte, pandemi gibi kara kuğu olayları çip bulunabilirliği sorununu daha da derinleştirmektedir.

Bu zorlukların yanı sıra, sektör aynı zamanda nitelikli profesyonellere olan talep ile bu kişilerin bulunabilirliği arasındaki genişleyen uçuruma da karşı koymak zorundadır. Sektörün yoğun rekabeti ve hızlı ilerleme temposu göz önüne alındığında, yetenek eksikliği ve beceri boşluğunun varlığı şaşırtıcı değildir.

Tüm bu zorluklara rağmen, sektör büyümeye devam etmektedir. Geleceği dönüştürme potansiyeline sahip atılımlar sürekli olarak gerçekleşmekte, sektörün dayanıklılığını ve yenilikçi ruhunu ortaya koymaktadır.

Üretim desteği için en iyi yarı iletken ekipman hisselerinin listesi için buraya tıklayın.

‘Doughnut’ Işınları Son Derece Küçük Nesneleri Görmeyi Sağlıyor

Bu ay, yeni bir çalışma, çok küçük nesnelerin detaylı görüntülerini halka şeklindeki ışık ışınları kullanarak aldı; bu, geleneksel mikroskoplarla mümkün olmayacaktı. Çalışma, CU Boulder araştırmacıları tarafından yürütüldü ve bilgisayar çiplerinde bulunan mini yarı iletkenler dahil olmak üzere bir dizi “nanoelektronik”in temel detaylarını iyileştirmeye yardımcı olması bekleniyor.

Bu, mikroskobik görüntüleme için hesaplamalı bir teknik olan ptychography alanındaki en yeni gelişmedir. Geleneksel mikroskopların aksine, ptychography araçları çok küçük nesneleri doğrudan görmez; bunun yerine bir hedefe lazerler yönlendirir ve ışığın nasıl dağıldığını ölçer.

Çalışmanın kıdemli yazarı Margaret Murnane, yakın zamana kadar bu yaklaşımın “yüksek derecede periyodik örnekler ya da düzenli tekrarlayan desenlere sahip nesneler” için tamamen başarısız olduğunu, çünkü nanoelektronikleri içerdiğini belirtti.

JILA’da (CU Boulder ve NIST’in ortak araştırma enstitüsü) bir araştırmacı olan Murnane, bazı yarı iletkenlerin yapısını ptychography ile görüntülemenin zorluklarını açıkladı. Bu yapılar, inanılmaz derecede uniform küçük ızgaralarda düzenlenmiş silikon gibi atomlardan oluşur ve varyasyon eksikliği nedeniyle zorluk yaratır.

Bu yeni çalışmada, araştırmacılar mikroskoplarındaki normal lazerler yerine aşırı ultraviyole ışık ışınları yarattı ve ardından bir spiral faz plakası kullanarak bu ışınların şeklini halka (doughnut) haline getirdi. Bu ışınlar tekrarlayan yapılar üzerine çarptığında, geleneksel lazerlerin oluşturduğu gölgelerden çok daha karmaşık gölgeler ortaya çıktı. Bu, çok küçük ve hassas yapıların doğru bir şekilde görüntülenmesini sağladı. 

Bu yapılar 10 ila 100 nanometre boyutlarındadır ve ekip, gelecekte daha da küçük yapılara odaklanmayı planlıyor. Amaç, bu halka stratejisini daha da hassas hâle getirerek bir gün belki de biyolojik hücreler gibi çok kırılgan nesneleri görebilmektir.

Şimdiye kadar, mercek kullanan görüntüleme araçları yaklaşık 200 nanometre çözünürlüğe kadar görebiliyordu; bu da birçok virüsü doğru bir şekilde yakalamayı engelliyordu. Ancak bu araştırma sayesinde mikroskopların temel sınırları zorlandı ve bilim insanları gelecekte bu patojenleri gerçek zamanlı olarak yakalayabilecek.

“Görüntüyü elde etmek için bir mercek kullanmak yerine algoritmalar kullanıyoruz,” dedi Murnane.

Ayrıca, bu ışınlar süreçte küçük elektroniklere zarar vermediği için “yarı iletkenleri üretmek ve baskılamak için kullanılan polimerleri kusurlara karşı incelemek, bu yapıların zarar görmeden kontrol edilmesini sağlamak” amacıyla da kullanılabilir.

Genel olarak, bu yeni çalışma nanoelektronik bileşenlerin daha hassas kalite kontrolüyle incelenmesini sağlayarak yarı iletken endüstrisine büyük bir potansiyel sunmaktadır. Bu, araştırmacıların hassas yarı iletken yapılarını bütünlüğünü bozmadan incelemelerine de olanak tanıyabilir. Ptychography tekniklerindeki daha fazla ilerleme, yarı iletken araştırma ve geliştirme için daha çok yönlü görüntüleme yöntemlerinin ortaya çıkmasına yol açabilir.

“Yarı İletken Manzarasını Yeniden Şekillendirecek” Fotonic Çipler

İşte bir başka yeni çalışma, Sydney Nano Enstitüsü’nün nanobilim tesisinde, Avustralya Ulusal Üniversitesi bilim insanlarıyla iş birliği içinde, elektronik ile fotonları entegre ederek bant genişliğini ve filtre kontrolünü artıran yeni bir yarı iletken mimarisi tasarladılar. Bu, çip üzerinden daha fazla bilgi akışı sağlarken gelişmiş filtre kontrollerine de izin veriyor. 

“Bu çalışma, özellikle hava ve uzay tabanlı RF iletişim yüklerinde geniş bant frekans ayarlanabilirliği sağlayan yeni nesil kompakt, yüksek çözünürlüklü RF fotonik filtrelerinin yolunu açıyor, böylece iletişim ve algılama yeteneklerinin geliştirilmesi mümkün oluyor.” 

– Dr. Moritz Merklein, kıdemli araştırma görevlisi ve çalışmanın ortak yazarı

Bu çipi inşa etmek için araştırmacılar, silikon fotoniğinde ortaya çıkan bir teknoloji kullandı; bu sayede 5 milimetreden daha dar yarı iletkenler üzerine çeşitli sistemleri entegre edebildiler; bu, Lego yapı bloklarını bir araya getirmek gibi. Böylece, çip tasarımına ölçeklenebilir ve modüler bir yaklaşım sunarak karmaşık ve son derece verimli yarı iletken cihazların yaratılmasına yeni olanaklar açıyor.

“Temel çip wafer’ını üretmek için yurt dışı yarı iletken fabrika süreçlerini, yerel araştırma altyapısı ve üretimiyle birleştirmek, bu fotonik entegre devrenin geliştirilmesinde hayati öneme sahip oldu.” 

– Dr. Alvaro Casas Bedoy, Fizik Okulu Fotonic Entegrasyonundan Sorumlu Yardımcı Direktör

Bu yeni kompakt silikon yarı iletken çip, radyo frekansı (RF) bant genişliğini önemli ölçüde artırıyor ve birim üzerinden akan bilgiyi hassas bir şekilde kontrol edebiliyor. Uygulamasını gelişmiş radar, kablosuz ağlar, uydular ve 6G ve 7G telekomünikasyonun yaygınlaşmasında görebilirsiniz. Ayrıca, cihazların çeşitli uygulamalara uyum sağlayabilmesi, geniş bir senaryo yelpazesinde kullanılabilir olmasını sağlıyor.

Araştırmacılara göre, bu geliştirilmiş yetenek, ulusal üretimin güçlendirilmesi ve uluslararası üreticilere tamamen bağımlı olmadan yüksek katma değerli fabrikaların oluşturulması konusunda da yardımcı olabilir.

Pro-Visör-Şansölye Profesör Ben Eggleton, bu icadı “mikrodalga fotoniği ve entegre fotoniğin araştırmasında önemli bir ilerleme” olarak nitelendiriyor. Çip, 15 gigahertz ayarlanabilir frekans bant genişliği ve etkileyici spektral çözünürlük sunabiliyor.

“Mikrodalga fotoniği, modern iletişim ve radar uygulamalarında kritik bir rol oynar; farklı frekansları kesin olarak filtreleme esnekliği sunar, elektromanyetik paraziti azaltır ve sinyal kalitesini artırır.” diye açıklayan Eggleton, gelişmiş işlevlerin (kalsiyum sülfür camı ile silikon) yarı iletken çiplere entegre edilmesinin “yerel yarı iletken manzarasını yeniden şekillendirebileceğine” inanıyor.

Önde Gelen Yarı İletken Üreticileri 

Yarı iletken endüstrisinde neler olup bittiğini göz önünde bulundurarak, şimdi önde gelen yarı iletken üreticilerine bir göz atalım:

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.

Dünyanın en büyük yarı iletken foundry’si, müşterileri adına entegre devrelerin üretimini yürütmektedir. 523,56 milyar $ piyasa değerine sahip olan şirketin hisseleri 100,75 $’dan işlem görmekte ve bu yıl %35,52 artış göstermiştir. TSM’in (TTM) geliri 68,86 milyar $’dır, EPS (TTM) 5,36 ve P/E (TTM) 18,84 iken %1,81 temettü verimi sunmaktadır.

TSMC, N2 (2 nanometre) çiplerinin hacim üretimine şu anda doğru bir yolda ilerlemektedir; şirketin ifadesine göre, “tanıtıldığında endüstrideki en yoğun ve enerji verimliliği açısından en gelişmiş yarı iletken teknoloji olacak.” Yarı iletken üreticisi ayrıca, birkaç yıl önce Arizona’da yeni bir tesisle başlayan küresel genişleme planını Japonya ve Almanya’yı da kapsayacak şekilde sürdürmektedir.

2. Advanced Micro Devices, Inc. 

Bu küresel yarı iletken şirketinin piyasa değeri 217,13 milyar $’dır; hisseleri 133,52 $’dan işlem görmekte ve bu yıl %107,52 artış kaydetmiştir. AMD’nin (TTM) geliri 22,11 milyar $’dır ve EPS (TTM) 0,13’tür; temettü sunmamaktadır.

En son olarak, Advanced Micro, Nvidia’ (NVDA ) nın AI çip pazarının yaklaşık %80’ini kontrol ettiği uzun zamandır beklenen MI300 serisinden yeni AI çiplerini tanıttı. Bu yeni çipler süper bilgisayarlar ve ChatGPT ve Dall‑E gibi üretken AI uygulamaları için tasarlanmıştır. Şirket ayrıca, önümüzdeki dört yıl içinde AI çipleri için adreslenebilir pazar tahminini 400 milyar $’a yükseltti.

3. Applied Materials, Inc. 

Yarı iletken endüstrisine üretim ekipmanları, hizmetleri ve yazılımı sağlayan lider bir şirket olan Applied Materials (AMAT ), 129,78 milyar $ piyasa değerine sahiptir. ABD’nin en büyük yarı iletken ekipman üreticisinin hisseleri şu anda 156,50 $’dan işlem görmekte ve bu yıl %59,3 artış kaydetmiştir. Finansal olarak, AMAT (TTM) 26,51 milyar $ gelir, EPS (TTM) 8,11 ve P/E (TTM) 19,12 rapor etmiş; ayrıca %0,83 temettü verimi sunmaktadır.

Bununla birlikte, Applied Materials şu anda ABD’nin, Çin’in önde gelen çip üreticisi SMIC’ye ekipman gönderdiği iddiasıyla bir suç soruşturması yürütmesi nedeniyle zorlu bir süreçten geçmektedir; bu durum, ABD’nin yalnızca gelişmiş çip sevkiyatlarını değil, aynı zamanda ekipmanları da Çin’e gönderilmesini yasaklaması bağlamında ortaya çıkmıştır. Küresel hedeflerini ve stratejik genişlemesini işaret eden bir adım olarak, bu yılın başlarında Applied Materials, Hindistan’da ortak bir mühendislik merkezi kurmak için dört yıl içinde 400 milyon $ yatırım yapma planını duyurmuştur.

4. ASML Holding NV 

Hollanda merkezli ASML, TSMC, Samsung ve Intel (INTC ) gibi çip üreticilerine silikon wafer’lara devre eklemek için gelişmiş litografi sistemleri sağlamaktadır. 286,32 milyar $ piyasa değerine sahip olan şirketin hisseleri 714,42 $’dan işlem görmekte ve yılbaşından bu yana %30 artış göstermiştir; geliri (TTM) 28,871 milyar $’dır, EPS (TTM) 20,42 ve P/E (TTM) 34,78’dir. %0,91 temettü verimi sunmaktadır.

Şirket, son çeyrekte 2 milyar $’ın biraz üzerinde gelir açıkladı; CEO Peter Wennink, “Yarı iletken endüstrisi şu anda döngünün dip noktasından geçiyor ve müşterilerimiz yıl sonuna kadar dönüm noktasının görünür olmasını bekliyor” dedi.

Sonuç

Yarı iletkenler, hayatımızın ayrılmaz bir parçası olan cihazların kritik bir bileşenidir. Aslında, gelişen teknoloji sektörünün bel kemiğidir. Yarı iletkenlere olan talep arttıkça, daha küçük, daha hızlı ve daha enerji verimli çipler ortaya çıkmaktadır. Tüm bu ilerleme ve yenilik, daha önce mümkün olmayan yeni cihaz ve uygulamaların geliştirilmesine olanak tanıyacaktır!