İşlemciler neden kare ya da dikdörtgen? Yanıt üretim verimliliği ve paketlemede saklı

Bilgisayar ve telefonlarda kullanılan işlemcilerin büyük bölümü dışarıdan bakıldığında kare ya da dikdörtgen görünüyor. Oysa bu yongaların üretildiği silikon wafer’lar dairesel. Webtekno’nun aktardığı teknik bilgilere göre bu durum bir tasarım alışkanlığından çok, yarı iletken üretiminin verimlilik, kesim ve paketleme ihtiyaçlarıyla ilgili.

Bir işlemcinin elde tutulan dış paketi ile asıl hesaplamayı yapan silikon yonga aynı şey değil. Masaüstü işlemcilerde görülen büyük metal yüzey, çoğu zaman ısı yayıcı ve koruyucu paketin parçası. Bunun altında bir veya birden fazla küçük silikon die bulunuyor. Bu die’lar, milyarlarca transistörün ve bağlantı katmanının yer aldığı asıl işlemci yapısını oluşturuyor.

ÜRETİM YUVARLAK WAFER İLE BAŞLIYOR

Wafer’ların yuvarlak olmasının nedeni, silikon kristalinin üretim yönteminden kaynaklanıyor. Yüksek saflıktaki silikon, tek kristalli silindirik bir külçe haline getiriliyor. Bu silindirik yapı çok ince dilimler halinde kesildiğinde ortaya dairesel wafer’lar çıkıyor. Güncel yarı iletken üretiminde yaygın biçimde 300 milimetre çapındaki wafer’lar kullanılıyor.

Üretici, bu yuvarlak yüzeyin üzerine tek bir dev işlemci yerleştirmek yerine aynı tasarımın çok sayıda kopyasını oluşturuyor. Fotolitografi gibi aşamaların ardından wafer üzerinde yan yana dizilmiş çok sayıda die ortaya çıkıyor. Kare ve dikdörtgen biçim, bu die’ların düzenli satır ve sütunlar halinde yerleştirilmesini sağlıyor.

Bu düzenin en önemli avantajı kesim sürecinde görülüyor. Üretim tamamlandığında wafer üzerindeki yongalar “dicing” adı verilen işlemle birbirinden ayrılıyor. Düz kenarlı kare veya dikdörtgen die’lar, düz kesim hatları boyunca daha kolay ayrılabiliyor. Yuvarlak yongalarda ise hem kesim karmaşıklaşır hem de her yonganın çevresinde kullanılamayan silikon boşlukları oluşur.

YUVARLAK ÇİP MÜMKÜN AMA VERİMLİ DEĞİL

Teknik olarak yuvarlak bir silikon yonga üretmek fiziksel olarak imkânsız değil. Ancak seri üretimde bunun belirgin bir avantajı bulunmuyor. Yarı iletken üretiminde maliyetin önemli bir bölümü wafer alanının ne kadar verimli kullanıldığıyla bağlantılı. Bir wafer’dan ne kadar çok çalışan yonga elde edilirse üretim verimi o kadar artıyor.

Yuvarlak yongalar yan yana dizildiğinde aralarında kaçınılmaz boşluklar kalır. Bu boşluklar, kullanılmayan silikon alanı anlamına gelir. Ayrıca dairesel sınırların tek tek izlenerek kesilmesi, düz kesim hatlarına göre daha karmaşık ve maliyetli bir süreç yaratabilir. Bu nedenle dört köşeli yapı, üretici açısından daha pratik bir çözüm sunuyor.

İşlemcinin içindeki bütün bileşenlerin kare olduğunu söylemek ise doğru değil. Modern işlemciler; transistörler, önbellek blokları, CPU çekirdekleri, bellek kontrolcüleri, giriş-çıkış birimleri ve bağlantı katmanlarından oluşuyor. Bu yapıların geometrisi üretim teknolojisine ve tasarım ihtiyacına göre değişebiliyor.

Buna karşın kare veya dikdörtgen bir çalışma alanı, mühendislik açısından önemli kolaylık sağlıyor. Tasarım araçları devre bloklarını bu sınırlar içinde daha düzenli yerleştirebiliyor; sinyal yolları, güç dağıtımı, ısı yoğunluğu ve üretilebilirlik gibi değişkenler aynı anda hesaplanabiliyor.

PAKETLEME, SOĞUTMA VE CHİPLET ETKİSİ

Silikon die üretildikten sonra doğrudan anakarta bağlanmıyor. Elektrik bağlantılarının dış dünyaya taşınması, mekanik koruma ve ısı transferi için paketleme aşamasından geçiyor. Masaüstü işlemcilerde görülen büyük metal kapak, işlemcinin ürettiği ısıyı daha geniş bir yüzeye yayarak soğutucu ile temasını kolaylaştırıyor.

Düz ve dört köşeli paketler, baskılı devre kartlarındaki diğer bileşenlerle de daha düzenli yerleşebiliyor. Bu paketlerin boyutu yalnızca içerideki silikonun alanına göre belirlenmiyor; soket tasarımı, temas noktalarının sayısı, güç ihtiyacı ve soğutma gereksinimi de hesaba katılıyor.

Son yıllarda işlemci mimarisinde chiplet yaklaşımı da yaygınlaştı. AMD’nin güncel masaüstü ve sunucu işlemcilerinde olduğu gibi bazı tasarımlarda CPU çekirdekleri ve giriş-çıkış birimleri ayrı yongalar halinde üretilip aynı paket içinde birleştirilebiliyor. Intel de farklı ürünlerinde gelişmiş paketleme yöntemleriyle birden fazla işlem birimini aynı pakette kullanıyor.

Chiplet tasarımı, işlemcilerin dışarıdan kare veya dikdörtgen görünmesini ortadan kaldırmış değil. Aksine, tek paketin altında birden fazla dört köşeli yonga yan yana ya da gelişmiş paketleme yöntemleriyle farklı katmanlarda bulunabiliyor. Bu yaklaşım, çok büyük tek bir yonga üretmek yerine daha küçük parçalarla verimi artırma imkânı sunabiliyor.

Gelecekte 2.5D ve 3D paketleme, işlemciye daha yakın bellek çözümleri ve farklı üretim teknolojilerinin aynı pakette birleştirilmesi daha yaygın hale gelebilir. Ancak mevcut üretim zincirinde kare ve dikdörtgen form; wafer verimliliği, kesim kolaylığı, devre yerleşimi, paketleme ve soğutma açısından en pratik seçeneklerden biri olmayı sürdürüyor.

Haber Kaynağı : 12punto