Simülasyonları Kullanarak Çip Üretimini Amerika Birleşik Devletleri’ne Geri Getirmek

Mikroçipler her zaman modern dünya için önemli olmuştur, ancak 2022 tedarik zinciri şokuna kadar hükümetler ve endüstriler, bunların küresel ekonomi için kritik önemini fark etmemişti. Kıtlık o kadar şiddetliydi ki endüstriler devasa montaj hatlarını durdurmak zorunda kaldı.

Peki, mikroçipler küresel ekonomi için neden bu kadar önemli? Basitçe söylemek gerekirse, mikroçipler modern teknoloji endüstrisinin belkemiğidir ve kişisel bilgisayarlar, akıllı telefonlar, mutfak aletleri, arabalar, tıbbi cihazlar ve hatta bazı evcil hayvanların kimlik tespiti gibi her şeyde vazgeçilmezdir.

Ancak bu kritik öneme rağmen, yalnızca birkaç ülke gerçekten işlevsel mikroçip üretebilmektedir; çünkü bu çaba, hassas mühendislik ve teknolojik yenilik sınırlarını zorlamaktadır. Sonuçta, mikroçip üretimi sadece sermaye yoğun bir sektör olmakla kalmaz, aynı zamanda fizik, malzeme bilimi ve elektrik mühendisliği gibi yüksek derecede uzmanlaşmış becerilere sahip çalışanlar gerektirir.

Ayrıca, bu mikroçiplerin üretildiği fabrikalar (fablar) üretim süreci için sıkı çevresel koşullar gerektirir. Bu, belirli sıcaklık ve nem seviyelerinin korunması ve kontaminasyonun mümkün olduğunca azaltılmasını içerir.

Bu mükemmel koşullar sağlansa bile, üretim süreci birden fazla adım içerir ve her adım kusursuz bir şekilde yürütülmelidir. Herhangi bir hata mikroçipleri işe yaramaz hale getirebilir.

Ayrıca, devam eden teknolojik ilerlemeler daha küçük ve daha verimli çipler talep eder, bu da fablara ek baskı uygular. Ve belirli bir mikroçip neslini üretmeyi başardıklarında, talep eksikliği nedeniyle bu çipler zaten modası geçmiş olabilir.

Bu kadar büyük engeller, mikroçipleri ölçekli olarak üretmeyi, en derin bütçelere sahip ülkeler dahil, çoğu ülke için zorlu bir görev haline getirir.

Küresel teknoloji süper gücü ve yarı iletken tasarımında lider olan Amerika Birleşik Devletleri bile mikroçip üretiminde en üst konumda değildir; bu arzu edilen konum Tayvan’a aittir. Bu, Tayvan’ın yarı iletken üretimine on yıllara dayanan yatırımı ve Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSM ) Company (TSMC) gibi şirketlerin varlığı sayesinde gerçekleşmiştir.

Bu karmaşıklıklar, mikroçipler konusunda kendi kendine yeterlilik elde etmenin ne kadar zor olduğunu gösteriyor. Ancak, yeni yayımlanan bir makaleye göre Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı’na bağlı Princeton Plasma Physics Laboratory web sitesinde, bilim insanları mikroçip üretiminde kullanılan plazma süreçlerinin simülasyonunu önemli ölçüde iyileştirecek bilgisayar programları geliştirmektedir.

Bu yeni algoritmalar, doğruluk ve verimlilik açısından geleneksel simülasyon tekniklerini geride bırakabilir, mikroçip üretim sürecini hızlandırarak çip üretiminin Amerika Birleşik Devletleri’ne geri getirilmesine yardımcı olur.

Çift Yaklaşım

Princeton Plasma Physics Laboratory aynı anda iki araştırma yürüttü ve odak alanları hedefler açısından farklılık gösterdi.

• İlk araştırma, bu simülasyonların doğruluğunu artırmaya odaklandı.
• İkinci araştırma hedefi, mikroçip üretiminde kullanılan plazma reaktörlerinin simülasyon sürelerini hızlandırmaktı.

Plazma Simülasyonlarında Hız ve Hassasiyet İhtiyacı

Mikroçipleri oluşturmak için silikon wafer’lara işlenen karmaşık desenler büyük ölçüde plazma reaktörleri kullanılarak üretilir. Bu prosedür, istenen sonuca ulaşmak için dikkatle kontrol edilmesi gereken, elektrik yüklü bir gaz olan plazmanın davranışına bağlıdır.

Geleneksel olarak, plazma sürecini canlandırarak sonuçları tahmin etmek ve üretim yöntemlerini iyileştirmek zahmetli ve zaman alıcı bir görev olmuştur. İşte PPPL’nin ilk araştırması burada devreye giriyor. Bu araştırma, bu simülasyonlar için gereken süreyi önemli ölçüde azaltabilecek bilgisayar algoritmaları oluşturarak durumu değiştirmeyi amaçlamaktadır.

Ve bu konuda başarılı oldular; ekip, simülasyon süresini haftalardan potansiyel olarak günlere ya da hatta saatlere düşürdü, önemli detaylardan ödün vermeden. PPPL bilim insanlarının bunu nasıl başardığına gelince, tarihî algoritmaları, özellikle 1980’lerde oluşturulanları, gözden geçirip iyileştirerek istedikleri sonuçlara ulaştılar.

Simülasyon Doğruluğunu Ele Almak

İkinci araştırma hattında, PPPL araştırmacı ekibi simülasyon doğruluğu sorununu ele aldı. Plazma davranışının karmaşıklığı göz önüne alındığında, simülasyonların gerçek dünya tepkilerini yakından yansıtması, verimli mikroçip üretim yöntemleri için kritik öneme sahiptir. Ancak, sayısız plazma parçacığının davranışını doğru bir şekilde simüle etmek için önemli bir bilgi işlem çabası tarihsel olarak oldukça zorlu olmuştur.

Bu sorunu çözmek için, PPPL araştırma ekibi simülasyonlarda plazma parçacıklarının temsilini basitleştirdi. Her bir parçacığı ayrı ayrı hesaba katmak yerine, onları daha büyük ve yönetilebilir varlıklara gruplayan bir yöntem geliştirdiler. Bu yaklaşım, hesaplama yükünü önemli ölçüde azaltarak daha hızlı ve daha erişilebilir simülasyonlar sağlar.

Başlangıçta, bu basitleştirme gerçek plazma dinamiklerini çarpıtmaya ve daha az doğru tahminlere yol açma riskini taşıyordu. Bu engeli aşmak için araştırmacılar, simülasyon parametrelerini ayarlayarak bu parçacık kümelerini daha büyük ve daha az yoğun hâle getirdiler. Bu değişiklik, parçacık etkileşimlerinin gerçek plazmadaki gibi daha yakından taklit edilmesini sağlayarak simülasyon tahminlerinin bütünlüğünü korur.

Doğruluk ve basitleştirme arasındaki bu dikkatli denge, mikroçip üretim süreçlerini geliştirme konusunda büyük bir potansiyele sahiptir.

Değişim İçin Bir Katalizör

PPPL’nin araştırması teknik alanın ötesinde bir öneme sahiptir; çünkü bu bulgu, özellikle Amerika Birleşik Devletleri için küresel yarı iletken pazarının stratejik dinamikleri üzerinde etkiler taşımaktadır. Sonuçta, bu keşif, mikroçip üretim manzarasını ABD genelinde yeniden tanımlama potansiyeline sahiptir; çünkü mikroçip üretiminde zaman ve maliyetleri azaltabilecek araçlar sunmaktadır. Üretim süreçlerini hızlı bir şekilde uyarlama ve iyileştirme yeteneği, inovasyon hızının sektördeki liderliği belirlediği bir endüstride kritik öneme sahiptir.

Ayrıca, gelişmiş simülasyon araçlarının bulunabilirliği, ABD merkezli girişimcilerin ve küçük işletmelerin küresel devlerle daha etkili rekabet etmesini sağlayarak oyun alanını eşitleyebilir. Bu, Amerikan yarı iletken sektöründe daha fazla firmanın piyasaya girmesi ve mikroçip tasarımı ve üretimi için yeni fikir ve metodolojiler sunmasıyla bir yenilik dalgası yaratabilir.

Ulusal Güvenliği ve Ekonomik Dayanıklılığı Güçlendirmek

Mevcut küresel çalkantılar ve jeopolitik gerilimler tedarik zincirlerini savunmasız hale getirdi. Mikroçip gibi kritik bileşenler için diğer ülkelere bağımlılık ulusal bir risk oluşturuyor. ABD, 2022 yarı iletken tedarik şokunda bu riskin boyutunu fark etti ve mikroçip tedarikindeki herhangi bir kesintinin ABD teknoloji endüstrisinin küresel hâkimiyetini ciddi şekilde etkileyebileceği sonucuna vardı.

CHIPS Yasası gibi daha geniş hükümet girişimleriyle uyumludur. 9 Ağustos 2022’de CHIPS ve Bilim Yasası olarak yürürlüğe giren bu yasa, yerli yarı iletken üretimini güçlendirmek ve yabancı kaynaklara bağımlılığı azaltmak için neredeyse 280 milyar dolar fon ayırmaktadır. Bu fon, araştırma ve geliştirme, yerli üretim teşvikleri ve tedarik zinciri güçlendirme önlemlerini desteklemektedir.

Yarı iletken yeteneklerimizi güvence altına alma ve canlandırma yönündeki bu geçiş, sadece ekonomik dayanıklılık ve ulusal güvenliği sürdürmekle kalmaz; aynı zamanda üretim ve teknoloji alanındaki bir sonraki devrimin yolunu açan kritik bir adımdır—Endüstri 4.0.

Endüstri 4.0 İçin Temel Sütunu İnşa Etmek

IBM, Endüstri 4.0’ı akıllı üretimin kilit bir rol oynayacağı bir şey olarak görüyor. Başka bir deyişle, Endüstri 4.0, üretim alanını dijital olarak dönüştürmeyi, kararların gerçek zamanlı olarak alınmasını ve üretkenliğin artırılmasını hedefleyerek üretim ve dağıtım sürecini en optimal esnek ve çevik hâle getirmeyi amaçlamaktadır.

Amerika Birleşik Devletleri’nin Endüstri 4.0’da lider konuma gelmesi için mikroçipler sadece gerekli değil, aynı zamanda vazgeçilmezdir. Goldman Sachs (GS ) araştırması, mikroçip kıtlıklarının med-tech, tarım makineleri, tüketici elektroniği, enerji ve kurumsal sektörler dahil olmak üzere 169 kadar çok sayıda sektörü etkileyebileceğini göstermiştir. Örneğin 2021 yılında, dünya çapında saygın bir otomobil şirketi olan Renault, mikroçip eksikliği nedeniyle 500,000 cars üretememiştir.

Bu kırılganlık, konunun kritik doğasını vurgulamaktadır; çünkü daha fazla Tayvan bağımlılığı, daha önce belirtildiği gibi, tedarik zincirinde ani bir kesintiye yol açabilir; bu da COVID-19 pandemisi sırasında olduğu gibi sistemin tamamen çökmesine neden olabilir.

Bağlantılı bir gelecek için en iyi on Nesnelerin İnterneti (IoT) hissesi listesini görmek için buraya tıklayın.

Amerika Birleşik Devletleri’nin Mikroçip Üretimindeki Geleceği

Amerika Birleşik Devletleri, dirençli ve kendi kendine yeten bir ekonomik gelecek için mikroçiplerin ne kadar kritik olabileceğini iyi kavramıştır. Bu farkındalık, ülkeyi en üst düzey mikroçiplerin elde edildiği sistemleri teşvik etmeye yönlendirmiştir.

George Washington Üniversitesi ve dört diğer akademik araştırma ortağı, örneğin, iş birliği yapmıştır Amerika Birleşik Devletleri Ticaret Bakanlığı’nın Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü, Google ve yarı iletken üreticisi SkyWater Technology (SKYT ) ile birlikte ‘yerli, uygun fiyatlı bu mikroçiplerin tedariki araştırmacılar ve yeni girişimler için.

Bu iş birliği, topluluk içinde dağıtım için yüzlerce mikroçip barındıracak silikon wafer’lar üretmeyi amaçlamaktadır. Araştırmacılar, ‘entegrasyon ve topluluktaki diğer cihazlarla yeni cihazlarının performansını karşılaştırmak için ölçüm yapma’ için uygun olan ön-planarize bir çip platformuna erişebilecekler.

GW Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü’nde yardımcı doçent olan Gina Adam’a göre, ortaklık şunları sağlayacak:

Mikroçip üretiminin yeniden ülkeye getirilmesine yönelik stratejik odaklanmanın özellikle Amerika Birleşik Devletleri’nde değiştiği bir dönemde, nanoteknoloji ve yarı iletken cihazlar alanında ilerlemeler yapmak için gereken araştırma altyapısı.

Yerel mikroçip üretimini artırmak için, Amerika Birleşik Devletleri hükümeti Arizona merkezli Microchip Technology’ (MCHP ) ye yaklaşık US$162 million yatırım yapma planını açıkladı. İşletme, ABD hükümeti ve şirket arasındaki iş birliği, bağlayıcı olmayan ön bir şartname (PMT) anlaşması şeklinde olacaktır.

ABD hükümeti, ‘federal teşvikler’ kapsamında milyonlarca dolar sağlayacak ve bu fon iki akıma yönlendirilecektir: US$90 million, şirketin Colorado Springs fabrikasını modernize etmek ve genişletmek için harcanacak, kalan US$72 million ise şirketin Gresham, Oregon tesisinin genişletilmesine gidecek.

Benzer bir finansman olan US$35 million daha önce BAE Systems (BSP.DE ) Electronic Systems’e, BAE Systems, Inc.’nin bir iş birimine sunulmuştu. Amaç, şirketin Mikroelektronik Merkezi’nin modernizasyonunu desteklemekti.

Özetle, Amerika Birleşik Devletleri, ülkede mikroçip üretimini teşvik etmek için politika seviyesinde ve uygulama seviyesinde görünür bir şekilde aktif hale gelmiştir. Ve bu kadar büyük bir coşku ve yoğunlukla aktif olmasının tüm nedenleri vardır. Bilgisayar, akıllı telefon ve araba tedarik hatlarının kesintisiz olması sadece gerekli değildir. Zaten gördüğümüz gibi, mikroçiplerin varlığı ulusal güvenlik mekanizmalarını ve siber güvenlik yapısını güçlendirebilir.

ABD yetkililerinin 360 derece yaklaşımı, üretimi teşvik etme, araştırma ve geliştirmeyi destekleme, nitelikli bir iş gücü yetiştirme ve uluslararası bilgi iletişim teknolojisi güvenliği ve yarı iletken tedarik zinciriyle ilgili faaliyetleri güçlendirme gerekliliğini göz önünde bulundurur.

ABD yetkililerinin mikroçip üretimini canlı bir yerli işletme haline getirmek için yatırım yapmaya hazır olduğu milyarlarca dolar, aynı zamanda küresel oyuncuları da çekmiştir.

Örneğin, haritadaki en büyük ve en önemli oyuncu olan Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), Arizona’da bir yarı iletken fabrika inşa etmek için 12 milyar doların üzerinde bir taahhütte bulunmuştur. Intel (INTC ), Ohio’da 20 milyar dolar değerinde bir yarı iletken üretim tesisi kurma planları yapmaktadır. Micron Technology, Inc. (MU ) ise daha da iddialı planlar sunarak, önümüzdeki iki on yıl içinde kuzeydoğu New York’ta devasa bir yarı iletken fabrikası inşa etmek için 100 milyar dolara kadar yatırım yapmayı önermektedir.

Tüm bu girişimler ve eylem planları mevcut olduğundan, Amerika Birleşik Devletleri’nin mikroçip üretim yarışında geride kalması için bir neden yoktur. Ancak, küresel modern çip üretiminin yaklaşık üçte ikisini oluşturan Doğu Asya ülkeleriyle rekabet edebilmek için ABD, sağlam bir yetenek ve tedarik zinciri altyapısı inşa etmelidir. Ayrıca, talebi fark ederek aşırı kapasite ve fazla arz risklerinden korunmalıdır.

Center for Strategic and International Studies’tan kıdemli danışman Scott Kenedy’ye göre: “ABD, doğrudan Amerikan ulusal güvenliğiyle ilgili belirli türde çiplerin üretimini artırmalı.”

ABD’nin mikroçip üretimini artırıp artırmayacağı ve bunu doğru, optimize edilmiş bir şekilde yapıp yapmayacağı, gözlemlememiz gereken bir konudur.