BİLGİSAYAR VE YARI İLETKEN TEKNOLOJİSİNDE GELİŞMELER

BİLGİSAY ARLAR VE Y ARI İLETKEN TEKNOLOJİSİNDE GELİŞMELER

Dr. Volkan H. Ö?GÜZ (•)

1. Giriş:

Bir bilgisayarın performansı, bilgi işleme hızı, bellek ka pasitesi ve tükettiği ggç ile ölçülür. Bilgisayar sistemle rinde gelişme, kullanılan devre elemanlarının tipi ve yapım teknolojileri, devre yapısı, bilgisayar mimarisi, kırmık içi ve kırmıklar arası gecikmeler, kılıflama sırasında oluşan parazitik etkiler gibi çeşitli etkenlerin karmaşık mühendislik kavramlarına dayanarak uygun seçilmesine bağlıdır.

Yarıiletken teknolojilerindeki gelişmelerle güvenilirlikte

ve fiyatlarda olumsuz bir değişiklik olmadan devre ele

manları mikron altı boyutlarda.(1 u,m = 0.001 mm)

gerçekleştirilmekte, sonuçta ara bağlantılar ve kılıflama

parazitik etkilerin gecikmeleri devre elemanı iç gecikme

sinden çok fazla olabilmektedir.

Teknolojideki başdöndürücü gelişmeyi daha iyi

algılayabilmek için geçmişe kısaca bakmakta fayda

vardır.

.

İlk elektronik bilgisayar 1946 yılında Illinois Üniversi tesi'nde geliştirilen Eniac'tır. Eniac 18850 tüp'ten oluşmuştu. 150 m'lik bir alanı kaplıyor ve yaklaşık 150 KW güç harcıyordu. 1947 48'de Bell Laboratuvarlarında Schokley, Bardeen ve Brattain'in geliştirdikleri ilk bipolar jonksiyonlu tran zistorla, yarıiletken çağı başlamış oldu. 1958'de Texâs Instruments'te Kilby ilk tümleşik devre örneğini gerçekleştirdi. İlk tümleşik devrenin sadece beş elemanı vardı; bir tranzistör, bir kondansatör ve üç direnç, 1959'da Bell laboratuvarlarında, Kahng ve Atalla ilk alan etkili tranzistörü çalıştırdılar. Bu tranzistör günümüz tek nolojisinin temel taşlarından MÖS (Metal Oxide Semiconductor, Metal Oksit Yarıiletken) tranzistörünün ilk örneği idi. 196O'lı yıllardan günümüze kadar geçen, yaklaşık otuz yılda tek tranzistörden aynı kırmık üstünde yüz milyon mertebesinde tranzistöre gelindi. Bugün çoğumuzun kullandığı kişisel bilgisayarların, Eniactan kat kat güçlü olduğu da göz önüne alınırsa gelişmenin

Şekll

Mos~ Teknolojisinde boyut ve yoğunluk değişim

boyutları daha iyi anlaşılabilir. Günümüzde 16 Mb'lik bel lekler tek bir yarriletken kırmığı üzerinde gerçekleşti rilmekte, tüm gerekli işlevleri içeren "Sistemlerin tek bir kırmık üzerinde üretilmesinden söz edilmektedir. Gelişmenin sayısal bir ölçüsünü, kullanılan terimlerde de görmek mümkündür. 19701i yılların SSI (Small Scale In tegration Küçük Düzeyde Tümleştirme) tekniği ile. aynı kırmık üzerinde 2 64 devre elemanı sağlanırken, günümüzde VLSI (Very Large Scale Integration Çok Yüksek Düzeyde Tümleştirrne) ile 64000 2000 000 devre elamanı aynı kırmık üzerinde gerçekleştirilmektedir. Günümüzden başlayarak geleceğe doğru ULSI (Ultra Large Scale Integration Ultra Yüksek Düzeyde Tümleş tirme) ile 2 000 000 64 000 000 devre elemanı ile GSI (Gıga Scale Integration Giga Düzeyde Tümleştirme) ile 64 000 000 2 000 000 000 devre elemanına doğru yak laşılmaktadır. Devre elemanı boyutlarında azalma ve yoğunlukta artma MOS devre elemanları için Şekil 1'de gösterilmektedir.

2. Teknolojide Gelişmeler:

Dünya üzererinde yarıiletken devre elemanı piyasasının ekonomik hacminin 1988 yılında 54 Milyar Dolar olarak

OTELETAŞ İSTANBUL

gerçekleşmesi beklenmektedir. Aynı değerin, on yıl önce 10 Milyar Dolar olduğu gözönüne alınırsa (Tablo 1) tek nolojik gelişmenin yanı sıra, ekonomik gelişmenin de olağan üstü hızı daha iyi algılanabilir. Pazar yaklaşık 5 kat büyürken Japonya ve diğer ülkelerin payı 15 kat art maktadır. Dikkati çeken bir diğer nokta ise üretimin büyük bir bölümünün tümleşik devrelere doğru kay masıdır. 10 yıl önce tümleşik devrelerin toplamda payı % 64 iken, 19881e bu oran % 81'e yükselmiştir.

DÜNY A Y ARIİLETKEN ÜRETİMİ

TÜMLEŞİK DEVRELER

(Milyon $) (Milyon $)

A.B.D. Avrupa Japonya Diğer Ülkeler

4.720 455

1.220 65

20.825 3.135

18.500 1.415

Toplam Tümleşik devre Toplam Ayrık Devre Elemanları

6.460 3.700

43.875 10.170

TOPLAM ÜRETİM

10.160

54.045

KAYNAK SI IGE

TABLO 1

Bu gelişme içinde başı çeken devre elemanı teknolojisi ise MOS teknolojileri olmuştur. Günümüzde tümleşik devre üretiminin yaklaşık % 6O'ı MOS teknolojilerinde, % 30'u bipolar teknolojisinde, geri kalan %10 ise karma yarı iletken (GaAs, InP, vb) ve diğer yarıiletken teknolojilerin de olmaktadır.

Şekil 1'de MOS teknolojilerindeki hızlı gelişim göste rilmişti. Vurgulanması gereken bir nokta bu şekil üzerindeki değerlerin ticari olarak üretilen tümleşik dev relerden toplanmış olduğudur. Geliştirilen ve laboratu varlarda araştırma aşamasında olan veya VHSIC (Very High Speed Integrated Circuit Çok Yüksek Hızlı Tümle şik Devre) gibi özel programlarda yer alan devre eleman ları çok daha yoğun, hızlı ve çok daha küçük olabilmek tedir.

Günümüzde deneysel devrelerde 0.1 mikron boyutlarına inilmektedir.

MOS teknolpjileri ile üretilen tümleşik devrelerin genellik le sayısal uygulamalarda, bipolar teknolojisi ile üretilen tümleşik devrelerin ise genelde analog uygulamalarda kullanılması da günümüzde gözlenen bir eğilimdir. Karşılaştırmalar genellikle bellek kırmıkları ve kapı dizile rinde yapılır. Çünkü bu iki özel tümleşik devre teknolojisi nin lokomotifi olmuştur ve gelişmelerin tüm izlerini taşır. Tablo 2'de CMOS kapı dizilerinin son durumunu gösteren örnekler verilmektedir. Dikkati çeken noktalar mikron ci varında boyutiar ve 0.6 ile 2 ns arasında kapı gecikme leridir.

CMOS KAPI DİZİLERİ

YAPIMCI KAPI GECİKME KIRMIK MİNİMUM

SAYISI

(ns) ALANI BOYUT

(rm?)

(um)

Fujitsu 20

29.2

Mitsubishi 10.7

NEG

11.2

Toshiba 10

20 24

Hitachi 12

•

* 7.5

TRVVATT 27

LSI Logic 21.5

GE

13.5

Sperry

10.5

Honeyvvell 20

HP

TABLO 2

1.5*

1.5 169

1.8*

81.6

2.

100 165 2

223.5

1.5 100

•0.9 131

49,

81.2

98.2

59.4

0.6 100

Kapı gecikmeleri yorumlanırken, gerçek devre üzerinde kapı gecikmesinin yanısıra giriş ve çıkış yelpazelerinin, kullanılan yükün, ara bağlantıların, sıcaklığın, güç kay nağı gerilimindeki oynamaların toplam gecikmeyi etkilediği dikkate alınmalıdır. Sözgelimi deneysel koşullarda ölçü len bir ring osilatörü gecikmesi ile asgari çalışma koşul ları altında garanti edilebilecek gecikme arasındaki fark 5 misline kadar yükselebilir. Tablo 2'de verilen gecikmeler az yönlü ticari amaçlı devreler içindir. Az yüklü devreler de tipik olarak 1 mikron kanal uzunluğu başına 1 ns ge cikme izlenirken, çok yüklü devrelerde gecikme 2 ns/(im civarında yükselir. Bipolar tranzistörlü kapı dizilerinin ise en küçük boyutları yine 1 (im civarında olmakla beraber çıplak kapı gecikmeleri (0,1 0,5 ns) CMOS kırmıkları yak laşık beşte biridir (Tablo 3). Ama bir gelişmiş CMOS kapı dizisi 500 000 tranzistör içerirken, bipolar kapı dizile rinde tümleştirme yaklaşık on kez daha az yoğundur. Yoğunluğun düşük olmasının iki temel nedeni vardır: kul lanılan temel hücrenin bipolar teknolojide daha fazla yer tutması ve bipolar devrelerinin daha fazla güç harca ması.

Bipolar, MOS ve yeni gelişen GaAs (Gallium Arsenide) teknolojilerinin temel güç gecikme çarpımları Şekil 2'de gösterilmiştir. Karşılaştırmadan da görüleceği gibi 1 um boyutta bipolar teknolojisi ile gerçekleşen devreler, CMOS devrelere göre daha fazla güç harcarlar. Do layısıyla bir kırmık üzerine daha az sayıda bipolar devre yerleştirilebilir.

Unutulmaması gereken bir diğer nokta da 1 mikron tek nolojisinde bir MOS tranzistörün kanalı 1 mikron geniş liğinde iken, kanalın bipolar teknolojisinde karşılığı olan baz genişliği difüzyonla belirlendiğinden sadece 0.2 mik

134 374 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

rondur. Daha kısa geçiş bölgesi ise doğal olarak daha yüksek hızlarda çalışmaya olanak sağlar. Sığ difüzyon teknolojileri geliştikçe bipolar tranzistörlerin hız üstünlüğü de artacaktır. Ancak fotoişlemlerde gelişmeler MOS tranzistörlerin kanal boylarının kısalmasını sağla yacağından, MOS teknolojilerinin hızı da, bipolara yak laşacaktır.

değişimi olan CMOS devreler 100 MHz de çalışmaya başlayınca güç, NMOS seviyesine çıkar. Halbuki aynı koşullar altında CMOS devrenin kapı gecikmesi 2ns ci varındadır ve devre güç sınırlaması olmasa, 250 MHz'de çalışabilecek yetenektedir.

Bipolar ve MOS teknolojilerini, karşılaştırırken göz önüne alınması gereken bir diğer etken, çalışma sıcaklığıdır. Söz gelimi, günümüzde özellikle süper iletkenlikle gündeme gelen sıvı azot sıcaklığında (77 K 196 C) MOS tranzistörler oda sıcaklığındaki hızlarının 2.5 katı hızda çalışırlar. Buna karşılık bipolar devrelerin performansları oda sıcaklığının altında bozulma eğilimindedir.

Son yıllarda gelişen yeni bir teknoloji GaAs yarıiletken malzeme üzerinde oluşturulmuş, devre elemanı ve tüm leşik devrelerdir. Malzeme özelliklerinden ötürü GaAs kapı dizileri, MOS veya bipolar kapı dizilerinin yaklaşık iki katı daha yüksek hızlarda çalışabilirler (Tablo 4).

10 s

Şekil 2.

Mos ve Ga As teknolojilerinin temel güç gecikme çarpımları

BİPOLAR KAPI DİZİLERİ

»

KAPI SAYISI GECİKME KIRMIK ALAN!

flmf)

Hitachi Siemens NTT Noneyvvell Mitsubishi AMD

5k 5K 9K 2.5K 7 15 20K 40 80K 18K İ0K 5K

0.2 0.4

0.15

0.08

0.155

0.15"

0.65

TABLO 3

MOS teknolojilerinde NMOS (n kanallı MOS) ve CMOS (Complementary Eşlenik MOS) teknolojileri arasında da performans açısından temel farklar vardır. CMOS devre lerin güç tüketimi NMOS devrelere göre daha azdır. NMOS'ta fakirleşme durumunda çalışan bir tranzistörde sükunette açığa çıkan güç 0,1 0,2 mW kadardır. Kırmık larda doğal olarak soğutulabilecek güç sınırının 2W ci varında olmasından tipik bir NMOS kırmığının üzerine toplanacak tranzistör sayısının 20 000'ini aşması ol dukça zordur. Diğer taraftan CMOS devoierde süku nette güç tüketimi yoktur. CMOSla harcanan güç CV f bağlantısı ile belirlenir. (C: yük kapasitesi V gerilim deği şim, f değişim frekansı).CMOSla da özellikle hız arttıkça güç tüketimi sorun olmaya başlar. ı Bu nedenle, 1 (im CMOS teknolojisinde 0.4 pf kapasitif yüklü, 2V gerilim

GaAS KAPI DİZİLERİ

YAPIMCI KAPI SAYISI

GECİKME GÜÇ

(mW/KAPI)

3K

Fujitsu

1.5K

Honeyvvell 2K

2K

0.19

4.6

0.Î5

2.3

0,2

0.4

0.37

0.2 0.3

0.22

TABLO 4

Ancak, teknolojinin yeni olması, çözülmemiş sorunların olması malzemenin kendine özgü yapısından ötürü tümleştirme yoğunluğu henüz silisyum düzeyine erişmemiştir. Örneğin kapı dizilerinde yoğunluk silisyum kapı dizilerinin yaklaşık yarısı kadardır. Ancak devre ele manı yapılarındaki değişikliklerde doğrudan bir karşılaş tırmayı olanaksız kılar. Ayrıca öngörülen ve gerçekleşen değerler arasında, arabağlantılar, ölçme koşulları vb. gibi nedenlerle oldukça büyük sapmalar görülebilir.

Çeşitli teknolojileri karşılaştırırken en çok kullanılan bir diğer devre türü belleklerdir. Tablo 5'de çeşitli bipolar ve CMOS belleklerin özellikleri verilmiştir. İlk dikkati çeken eğilim bipolar teknolojinin daha fazla hız gerekti ren küçük kırmık uygulamalarında kullanıldığı, buna karşılık MOS teknolojisinin daha yoğun bilgi saklaması durumunda tercih edildiğidir.

64 k seviyesinde bipolar ve MOS bellek devrelerinin erişim hızları aynı düzeye gelmektedir. Ayrıca düşük yoğunluklu belleklerde genellike statik RAM (SRAM) tek niği kullanılmasına karşın daha yüksek yoğunluklarda dinamik RAM (DRAM) kullanılmaktadır.

374 ELEKTRİK "| Q K MÜHENDİSLİĞİ İ O Ü

Y ÜKSEK HIZLI BELLEKLER BİPOLAR

Y APIMCI . BELLEK HACMİ

ERİŞİM

KIRMIK

HIZI (ns) ALANI (Irrnf)

GÜÇ (w)

MİNİMUM BOY UT (um)

3.5

1.1

Fusitsu

2.8

32K

Fairchld

12.7 20.1 29.9 25 89.3 55.4 27 43.6 24.9

, 1.0

2 (BICMOS)

3.9

4.4

' 1.3

1.6

1.25

0.9

BELLEK HACMİ

Fairchild NEC

Mitsubishi Toshiba

Sony IBM Motorola

64K 256K 64K 64K 256K 256K 64 72K 256K 256K 64K 64K

MOS

ERİŞİM HlZI(ns)

KIRMIK GÜÇ ALANI (MM2) (w)

45.6

0.2

28.9

0.29

3Q.9

62.8

47.4

27.0

0.3

29.6

59.2

0.1

53.3

30.1

TİP

CMOS CMOS

MİNİMUM BOYUT (um)

1.3 1.3

NMOS

1,5

TABLO 5

Tekniklerdeki değişmelere karşın performans büyüklük

ilişkisinin etkilenmediği ilginçtir. Bipolar veya MOS tek

nolojisinde bellek kapasitesinin 10 kez artmasına karşın

erişim hızı yaklaşık 6 kez kötüleşir. Sonuçta kapasite

erişim hızı eğrisi teknolojik

gelişmelerle yüksek

hızlara kaymakta ve yüksek kapasiteli bir ORAM bellek

piyasaya ilk defa çıkarken genellikle 100 ns cinsinden

erişim hızına sahip olmaktadır. Günümüzde en gelişmiş

bellek örneklerinin elektriksel değerleri Tablo 6'da veril

miştir. Piyasada 1 Mb DRAM yaygın olarak satılmakta, 4

Mb DRAM piyasaya yeni girmekte, 16 Mb DRAM ise pro

totip aşamasındadır. 16 Mb DRAM seviyesinde karmaşık

mikron altı aşamasındadır. 16 Mb DRAM seviyesinde

karmaşık mikron altı geometriler ve 3.3 V gerilim kaynağı

gelişen teknolojinin getirdiği en büyük yeniliklerdir. 16

Mb DRAM, kişisel bilgisayarların 20 Mb civarındaki disk

kapasitesi ile karşılaştırılınca tek bir kırmıkta depolanan

bilginin büyüklüğü daha kolay anlaşılabilir. Ama bir yan

dan da disk performanslarının arttığı ve günümüzde 3 1/2"

bir diskin 300 MB'e kadar bellek kapasitesi olduğu da

göz ardı edilmemelidir.

ERİŞİM HİZİ fns)

Rjutsu

Hitashi

Mteubishl 90

ATTBelHabs 70

(Intel)

KIRMIK HÜCRE TEKNO MİNİMUM ALANI . ALAM LOJI BOY UT

(MM2*

(um 2

54.7

26.5 NMOS 1.4

47.3

24.1

«

21.0 NMOS 1.3

20.4

NMOS 1.0

54.2

29.2 CMOS 1.2

63.2 32

57.8 ' 36.1 NMOS 1

50.3

21.3 CMOS 1.0

50.8

28.5 CMOS 1

8.9

CMOS 1

99.2

10.6

NMOS 0.8

17.4

CMOS 1.0

ERİŞİM .HIZI

TEKNO

KAYNAĞI LOJI

(V)

MİNİMUM BOYUT

Matsushita 60

0.6

TA BL O 6 Y ÜKSEK KAPASİTELİ DRAM BELLEKLER

136 374 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

3. Bilgisayarlar:

Tablo 7'den de görüldüğü gibi günümüzün hızlı, yüksek performanslı süper bilgisayarları, daha önce açıklanan bipolar, CMOS ve GaAs teknolojilerinin birini veya bir kaçını kullanmaktadırlar.

Y ÜKSEK PERFORMANSLI BİLGİSAY ARLARIN TEKNOLOJİLERİ

BİLGİSAY AR

HIZ

ÇZAEMVRAİNMI Tl Et ™KNU OL VLOA JJ Iİ

HitashiS 810(20) 630 MF 14 ns

NECSX 2

1300 MF 6ns

Fujitsu VP 200 500 MF 14 ns

Cyber 205

400 MF 20 ns

Crayl

160 MF 12.5 ns

Cray 2

1.6 4.1 ns

Cray 3

20GF 2ns

ETAGFIO

10 GF

ECL ECL ECL ECL

G^As CMOS

Convex C

60 MF '100/5ONS CMOS

Hitachi M68X

IBM 308

TTL

IBM 309

TABLO 7

Her uygulamada uygun teknolojinin seçimi performans ve maliyet arasında en uygun çözümü arayarak sağlanır. Kapı gecikmelerinde azalma hızı sistemlerin yapımında son derece önemli bir etkendir. Diğer yandan düşük fi yatlı sistemler oluşturabilmek için son derece yoğun tümleşik devreler kullanılması gerekir. Bir bilgisayar sis teminin hızını belirleyen temel büyüklükler Tablo 8'de lis telen m iştir.

BİLGİSAY ARIN ÇEVRİM HIZININ ELEMANLARI

Süper Bilgisayar

t ^ 4}e m

(1 2(ULSI)

6 T^p, +

3 (VLSI) Toc+ T ^ 4(LSI)

BüyükSistem

tçevrim 10Tkapı + (1 2ULSI) T ^ + T c g

Mikrobilgisayar (VLSI) tçgvrim 20 T k a p ı +

3 (VLSI)

Ta + Trt

Süper bilgisayar Büyük Sistem Mikrobilgisayar

MFLOPS k Paralel işlem sayısutçevrim (ns) MIPS a 1/4: t çevrim (ns) M1PS= 1/2: t çevrim (ns); RISC Mimarisi

Tkapı Toc Tcs Tp2

Tm Trf

« Kapı Gecikmesi " Kırmık Dışı Kılıflama Gecikmesi .Tutma ve Saarkayma Gecikmesi • «2 Bölüm (Plaket vs.) Arasında Gecikme « Bellek Erişim Gecikmesi

Kütük Deryası Erişim Gecikmesi

TABLO 8

Burada sözü edilen çevrim süresi genellikle birim aritma tik işlemin hızı temel alınarak bulunur ve sıklıkla işlem hızı veya vektör saat periyodu olarak adlandırılır. Tek bir kırmık üzerinde oluşturulan VLSI mikroişlemciler dışında gecikmelerin temel öğeleri kılıflama ve devre gecikmele ridir. Ayrıca işleme giren kat sayısı, bilgisayarın mimari sinde Tablo 8'de gösterildiğinden daha fazla bağlıdır. Ama sonuçta, verilen tablo, bilgisayarların hızı ile tekno lojik gelişmeler arasındaki bağıntıyı kurabilmek açısından son derece faydalıdır.

"Carry Look Ahead/Carry Save Adder" mimarisi ile yapılmış ve bipolar ECL (Emitter Coupled Logic Emitör Bağlamalı Mantık; Hızlı bir bipolar mantık devresi türü) ile gerçekleştirilmiş bir süper bilgisayarda, çevrim sürasi en kötü durumda 6 kapı gecikmesi ve 3 kırmık dışı gecik meden oluşur. 1 mikron bipolar ECL teknolojisinde dev re gecikmesi ile ara bağlantı ve yükleme gecikmelerinin toplamı yaklaşık olarak kat başına 0.2 ns, kılıflama ge cikmesi ise 0.4 ns civarındadır. Bu örnekte de görüldüğü gibi kılıflama gecikmesi 1 mikron teknolojisinin yüksek performansı nedeniyle, diğer gecikmelerden çok fazla o labilmektedir.

Sonuçta 6 adet kapı gecikmesi 1.2 ns toplarken, sadece 3 kırmık dışı gecikme yine 1.2 ns olmaktadır ve toplam gecikme 2.4 ns'dir. CMOS VLSI devreler ECL'e bir al ternatif oluşturabilirler. Ama aynı 2.4 ns toplam gecik meyi elde etmek için herşeyin aynı kırmık üzerinde top lanabildiği varsayımı ile, bir CMOS kapının gecikmesinin 0.4 ns'den fazla olmaması gerekir. Sıvı azot soğutması ile CMOS devrelerin hızını artırarak, paralel işlemcilerin kullanılması için yüksek tümleştirme seviyelerine gide rek, bellek band genişliğinin artırmak için değişik mima riler kullanılarak, ETA 10 sisteminin performansının, ECL teknolojisi ile gerçeklenen CRAY 2'den hızlı olması bek lenmektedir.

En kötü yol durumunda gecikmeyi etkileyen kapıların sayısı mimari ile doğrudan bağıntılıdır. Ama, örnek olarak büyük sistem (mainframe) lerde, bu sayı süper bilgisa yarlara göre daha fazladır. Temel devrelerin hızı main framelerde, kılıflama gecikmelerine göre önemli hale ge lebilir ve ECL türü yüksek hızlı teknolojilerin kullanılması gerekir. Buna karşılık, Convex C 1 gibi, vektör işlemleri yapan paralel işlemciler, CMOS teknolojisi ile, IBM 3080 gibi ECL teknolojisi ile skalar işJemler yapan sistemlerin performansına erişebilirler. Büyük çapta paralel işlem ciler de (MPP Massively Paralel Processors), çevrim hızının işlemci sayısına oranı, iyi bir performans göster gesidir ve işlemcilerin sayısını arttırarak bu gösterge arttırılabilir. Ancak bu tür sistemlerin getirdiği avantajlar, paralelliği iyi kullanan programlama dilleri ve teknikleri ile tam anlamıyla ortaya çıkar.

Maliyet/Performans oranının kritik olduğu mikrobilgisa yarlar gibi durumlarda, gerekli olan yüksek seviyede tümleştirme ancak CMOS teknolojisi ile sağlanabilir.

Yinede teknolojiyi seçerken kullanılacak mimarinin de önemi gözden kaçırılmamalıdır.

137 374 ELEKTRİK

MÜHENDİSLİĞİ

ÖLÇEKLEME VE SONUÇLARI

TASARIM KURALLARI

2\un

1 pm

0.5 (im

Brts (ORAM) Devre Elemanı

250.000 500.000

1.000.000 2.000.000

4.000.000 8.000.000

Lojik Devreler Devre Elemanı

20.000 80.000

80.000 320.000

"MİKRON VE MİKRON ALTI TASARIM KURALLARI

320.000 . 1.280.000

2jım

1.25 1.5 um 1.0 jım

0.75 u.m

0.5 ji.m

Y ol/Boşluk Aralığı (um)

Kanat Uzunluğu (p.m) Geçit Oksiti (nm) Jonksiyon Derinliği (fim) Eşit Gerilimi (v)

1.8*0.3 •40 50 0.5

Üretim Y ılı

1980 ,

2.5 3 1.3±0.3 25 0.3 0.7

2 0.9+0.25 20 0.25 0.5

1.5 2 0.7±0.2 15 0.2 . 0.4

1 0.4±0.1 10 0.15 0.3

TABLO 9 geometriler, 10 nm (10 x 10 nm) civarında kalınlıklar (ato mik boyutlar 0.5 nm civarındadır) gibi zorlayıcı büyük lükler gelişmelerin sürdürülmesindeki zorluğu iyice or taya koyar. Kılıflamada sayısı artan bacakların getirdiği zorlukların yanı sıra, kırmıklar arası yoğun bilgi trafiğinin getirdiği so runların çözüm yolları da yeni tekniklerle bulunmaktadır. Tablo 10'da çok kırmıkiı alt yapılar denilen ve özellikle büyük bilgisayar sistemlerinde kullanılan işlemci yapı taşları gösterilmektedir. Yine görüleceği gibi, sıvı Helyum veya sıvı azotla soğutma gibi zor teknikler sistem sevi yesinde denenmekte başarılı sonuçlar alınmaktadır. Bütün bu zorluklara karşın bilim ve teknikteki ilerleme ve yeni ve devrim yaratıcı yapıları, fiziksel olaylara, teknik lerin bulunması yavaşladığı dönemlerde bile gelişmeyi bir anda hızlandırmaktadır.

İleriye dönük olarak, çoğumuzun aklının bir yerine yaz ması gereken yeniliklerin adları aşağıda sıralanmıştır.

Bilinmez belki de 2000'li yıllara gelmeden bütün bu sözcükler, gündelik hayatımıza girecektir.

Süper İletkenlik Ful Boyutunda Tümleştirme

Üç Boyutlu Tümleşik Devreler

Band Mühendisliği

Dalga Fonksiyonu Mühendisliği Nanometre Boyutunda (Atomik Boyutta) Mühendislik

Biyomoleküler Mühendislik

Biyo Kırmıklar

Süper Conductivity VVafer Scale Integration (WSI) 3D IC's

Band Engineering Wave Function Engineering Nanometer Scale (Atomic Scale) Engineering

• Biomolecular Engineering Biochips

'• Y apıma

Kırmık Sayı

IMB (TEM)

Hitachi H68X S810 Honeyvvell Mosaic (EX )

Trilogy

100 133 25 ' 9

4 40 200

138 374 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

ÇOK KIRMIKLI Y APITAŞLARI

Taban

Ara Bağlantı Uç Sayısı Katman Sayısı

Seramik 33

Seramik 25

Seramik

1800 900 96

Si/Mo

840 2244

TABLO 10

Soğulma

300 400

950 1200

Piston/He/Su

Hava

Hava Su/LN2

4. Sonuç:

Görüldüğü gibi yarıiletken teknolojilerindeki gelişmeler, yüksek performanslı bilgisayarların gelişmesini hızlandır makta ve bilgisayarlarda gelişmeler sonucu ortaya çıkan yeni gereksinimler, daha küçük daha hızlı, devre eleman larının yapılmasını hızlandırmaktadır. Böylece kapalı bir çevrim ve pozitif geri besleme durumu sonucunda ise son yıllarda gözlenen başdöndürücü gelişmeler ortaya çıkmıştır.

İleriye dönük olarak devre teknolojisindeki gelişmenin, bilgisayar teknolojilerindeki gelişmeyi daha da arttıra cağını söylemek mümkündür. Ancak devre teknolojilerin deki gelişmeler fiziksel öngörü sınırlarına yaklaş maktadır.

Yarıiletken teknolojilerindeki gelişmelerin çeşitli kuram sal, teknik veya uygulama sınırları vardır. Özetle bu sınırlar aşağıda verilmiştir. .

Temel sınırlar

Malzame sınırları

Devre elemanı sınırları

Sistem sınırları

Yapım teknikleri sınırları

Temel sınırlar ulaşılabilecek en üst seviyeyi oluştururlar ve termodinamik, kuantum mekaniği ve elektromanyetik teori tarafından belirlenirler. Malzeme sınırları kullanılan malzemelerin enerji band aralığı, hareketlilik, katkı yoğunluluğu gibi temel özelliklerdir. Bu nedenlerle, söz

gelimi GaAs teknolojisinde Si teknolojisine göre daha fazla hız elde edilebilmektedir.

Devre elemanı sınırları ölçekleme teorisi, devre elemanı türü gibi büyüklüklere bağlıdır. Devre sınırları, besleme gerilimi, kanal boyu, ara bağlantılar gibi etkenlere sağlıdır. Sistem sınırları ise, kullanılan teknoloji, kırmık mimarisi, tümleştirme düzeyi sistem mimarisi sistem boyutu gibi büyüklüklerin karmaşık ilişkileri ile belirlenir. Çeşitli sınırların getirdiği kısıtlamalar ve günümüz tekno lojisinin durumunun "gecikme x güç" düzleminde durumu Şekil 3'te gösterilmiştir. Görüldüğü gibi henüz sınırlara ulaşılamamıştır. Bunda en büyük neden kullanılan yapım teknikleri, getirdikleri sınırlamalar ve çözülmesi gereken mühendislik problemleri olmaktadır. Teknolojik problem ler aşağıdaki başlıklar altında toplanabilir.

Fotografik işlemler patern transferi

«atkılama profili kontrolü, sıcaklık işlemleri

Ara bağlantılar

Güvenilirlik ve işlem verimi

Üç boyutlu üretim ve yoğunlaştırma

Yeni yapılar

Kılıflama

t

r Test

Devre elemanına bağlı olan ölçekleme de, gerek teknik, gerek temel sınırları zorlamaktadır. Tipik ölçeklenerek yoğunlaştırılmış uygulamalara ilişkin.sonuçlar Tablo 9'da verilmiştir. Dikkat edilecek noktalar arasında mikron altı

10'

10r6

10 5

10,"•

4d5

Şekil 3. Günümüz Teknolojisinin "gecekme x güç" düzleminde durumu.

geometriler, 10nm (10x 10nm) civarında kalınlıklar (ato mik boyutlar 0.5 nm civarındadır) gibi zorlayıcı büyüklük ler gelişmelerin sürdürülmesindeki zorluğu iyice ortaya koyar.

Kılıflamada sayısı artan bacakların getirdiği zorlukların yanı sıra, kırmıklar arası yoğun bilgi trafiğinin getirdiği so runların çözüm yolları da yeni tekniklerle bulunmaktadır. Tablo 10'da çok kırmıklı alt yapılar denilen ve özellikle büyük bilgisayar sistemlerinde kullanılan işlemci yapı taşları gösterilmektedir. Yine görüleceği gibi, sıvı Helyum veya sıvı azotla soğutma gibi zor teknikler sistem se viyesinde denenmekte ve başarılı sonuçlar alınmaktadır.

Bütün bu zorluklara karşın bilim ve teknikteki ilerleme ve yeni ve devrim yaratıcı yapıların, fiziksel olaylara, tek niklerin bulunması yavaşladığı dönemlerde bile gelişmeyi bir anda hızlandırmaktadır.

İleriye dönük olarak, çoğumuzun aklının bir yerine yaz ması gereken yeniliklerin adları aşağıda sıralanmıştır.

Bilinmez, belki de 2000'li yıllara gelmeden bütün bu sözcükler, gündelik hayatımıza girecektir.

Süper iletkenlik

Üç Boyutunda Tümleştirme

Üç Boyutlu Tümleşik Devreler Band Mühendisliği Dalga Fonksiyonu Mühendisliği

Süper Conductivity Superlattice Wafer Scale Integ ration (WSI) 3D IC's Band Engineering Wave Function En gineering

Nanometre Boyutunda (Atomik Boyutta) Mühendislik

Biyomoleküler Mühendislik Biyo Kırmıklar

Nanometer Scale (Atomfc Scole) Engineering

In Situ Processing Biomolecular Engi neering Biochips

OZTRAFO

DAĞITIM VE GÜÇ TRANSFORMATÖRLERİ SAN. VE TİC. A.Ş.

Ankara Asfaltı. No : 80 81430 Kartal / İSTANBUL Tel: 374 99 96 (3 Hat) Fax: 374 01 42

140 374 • ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ