Mikroçip Nedir? Mikroçip Kıtlığı 2022

Mikroçip nedir? nerelerde kullanılır? Mikroçip kıtlığının sebepleri gibi konuları sizlerle inceleyeceğiz. Her şeyin akıllandığı bir dünyada kullandığımız birçok ürün yazılım içeriyor. Yazılımların çalışması için de mikroçip adını verdiğimiz işlemciler kullanılıyor. Bu nedenle dünya genelinde birçok endüstride mikroçiplere yoğun olarak ihtiyaç duyuluyor. 

Şarj aletinden damacana pompasına kadar hemen her alet bir ya da birden fazla çip içeriyor. Hatta günümüzde üretilen mikroçipler işlem kapasitesi açısından o kadar ileri düzeyde ki bir oyuncak arabada bulunan mikroçip, yirmi yıl önceki bilgisayarlardan daha güçlü diyebiliriz. 

Bugün cebimizde taşıdığımız akıllı telefonlar, Ay’a insan taşıyan Apollo uzay araçlarında kullanılan bilgisayara göre 100.000 kat güçlü işlemci ve bir milyon kat büyük belleğe sahip. Elbette bu kadar küçük boyutlarda bu denli yüksek işlem kapasitesi, çok karmaşık ve ileri düzey çip üretim teknolojileri anlamına geliyor. Yakın zamana kadar bu konu pek de ilgimizi çekmiyordu. Birtakım teknoloji firmaları her yıl daha hızlı ve daha ucuz işlemcileri piyasaya sürüyordu. 

Ancak son bir yıldır mikroçip sıkıntısı baş göstermeye başladı. Hemen her gün çip sıkıntısı nedeniyle üretime ara vermek ya da kapasite azaltmak zorunda kalan bir fabrika haberi duymaya başladık. Dünya genelinde yaşanan bu mikroçip kıtlığı nasıl ortaya çıktı, neden aşılamıyor, mikroçip üretmek bu kadar zor mu, dünya mikroçiplere ne kadar bağımlı gibi soruları bu yazıda cevaplamaya çalışacağız.

Mikroçip Nedir?

Mikroçipi kısaca üzerindeki yazılım aracılığıyla veri işleyebilen ve elektrikli cihazların işlevlerini kontrol edebilen bir beyin olarak tanımlayabiliriz. Mikroişlemci, yarı iletken entegre devre, yonga ve çip gibi adlarla da anılan mikroçip; genellikle silikondan üretilen yarı iletken malzemeler ile tasarlanmış metal bir levha üzerine yerleştirilen elektronik devreler grubudur. Bu bütünleşik devreler içinde bir tırnak ucu kadar alanda milyarlarca transistör ve elektronik devre elemanı bulunur.

 Bir devre içerisindeki her bir iletken dizinin genişliği teknolojinin elverdiği ölçüde küçültülebilir. 2008’de bu ölçü 100 nanometre iken, 2021 itibarıyla 5 nanometredir. Intel’in 1971’de ürettiği ilk ticari mikroçipi olan Intel 4004, her biri 10 mikron kalınlığındaki 2.300 çipten oluşuyordu. Bugün çip teknolojisinde ölçü birimi olarak bir metrenin milyonda biri anlamına gelen mikron yerine, metrenin milyarda biri anlamına gelen nanometre birimini kullanıyoruz. 

Günümüzde üretilen çipler 5 nanometre boyunda; bir başka ifadeyle, bir saç telinden 20.000 kat daha küçük. Çip tasarımı yapan yüzlerce firma mevcutken bu tasarımları ürüne dönüştüren üretici firmaların sayısı sınırlı.

Çip Tasarımı 

Bir elektronik devre; direnç, transistor, meksefe, endüktör ve diyot gibi devre elemanlarının bir kart üzerine yerleştirilerek iletken tellerle birbirine bağlanmasıyla oluşur. Mikroçiplerse entegre devre olarak tasarlanır; yani dâhilindeki elektronik devre elemanları bir panelin üzerine tek tek yerleştirilmez, bunun yerine silikon gibi yarı iletken bir malzeme kullanılarak düz bir panel üzerinde üretilen transistörlerden oluşur. 

Bu sayede daha ucuz, daha küçük ve hızlı işlemciler elde edilir. Milyarlarca bileşenden oluşan bir mikroçip tasarlamak ve üretmek hayli maliyetli bir iş. Çip tasarımı için özel araçlar ve programlama dilleri kullanılıyor. Öncelikle tasarlamak istediğiniz çipi bir “donanım tanımlama dili” (hardware description language: HDL) kullanarak tasarlamanız gerekiyor. Verilog bunun için en yaygın kullanılan HDL dili. Bu dili kullanarak oluşturduğunuz donanım, sentez adı verilen bir işlemle “netlist” hâline getiriliyor.

 Netlist devre elemanlarının birbiriyle olan bağlantısını gösteren bir tür harita olarak tanımlanabilir. Bu işlem için “yosys” gibi açık kaynak araçlardan faydalanabileceğiniz gibi daha profesyonel yazılımlar da kullanabilirsiniz. Oluşturduğunuz netlist için yine özel yazılımlar kullanarak “place and route” adı verilen yerleşim işlemini tamamlamanız gerekiyor. Bu aşamada bileşenler en uygun şekilde yerleştiriliyor ve birbiriyle bağlantıları kuruluyor. 

Bütün aşamalarda ayrıntılı testler yapılarak işlemlerin doğruluğu teyit ediliyor.

Sonrasındaysa tamamlanan tasarım üretim için fabrikaya aktarılıyor. Bilgisayar işlemcilerinin (central processing unit: CPU) tasarımında çok farklı mimariler kullanmak mümkün. Her firma kendine özgü bir işlemci tasarlayabilir. Ancak bu işlemcilerin kullanılabilmesi için bunlarla uyumlu yazılımlar da geliştirilmelidir. 

Tasarlanan her bir farklı çip türü için tekrar tekrar yazılım oluşturulması kullanışlı ve uygulanabilir olmayacağı için bazı çip tasarım standartları mevcuttur. Komut kümesi mimarisi (instruction set architecture – ISA) adı verilen bu standartlar, yazılımcıların çiplerin tasarım şekilleri üzerine kafa yormadan yazılım geliştirmesini mümkün kılar.

Çip tasarımında en yaygın kullanılan komut kümesi mimarileri x86, x64 ve ARM’dir. x86 Intel tarafından geliştirilmiş ve lisanslanmış olup en fazla 32bit işlemcileri destekleyen bir mimaridir. 

Ayrıca, sadece firmanın izin verdiği AMD ve VIA firmaları tarafından bu mimariye uygun çipler üretilebilir. AMD’nin 1999’da geliştirdiği 64bit destekli x64 adındaki mimari hızla yaygınlık kazandı. Masaüstü ve dizüstü bilgisayarlarda kullanılan Windows ve Linux gibi işletim sistemleri her iki mimariyi de destekliyor. 

İngiliz ARM firması tarafından geliştirilen ARM ise daha esnek bir lisanslama modeliyle çok daha fazla üretici tarafından kullanılıyor. ARM mimarisi düşük enerji tüketimine yönelik yapısı sayesinde taşınabilir cihazlarda tercih ediliyor. Apple tarafından geliştirilen M1 işlemci serisi de ARM tabanlı.

Mikroçip Bağımlılığı 

Amerika Birleşik Devletleri (ABD) ile Avrupa ve Uzak Doğu ülkeleri mikroçip kıtlığıyla ilgili acil önlemler almaya çalışıyor. Çin mikroçip üretiminin ülkenin en öncelikli konuları arasında olduğunu açıkladı. ABD başkanı Joe Biden, yerli çip üretiminin güçlendirilmesi için düğmeye bastı. Avrupa Birliği kendi çiplerini üretmenin yollarını arıyor. Çünkü artık kullandığımız elektronik aletlerin neredeyse tamamı bu çiplere bağlı ve çip üretilmezse pek çok ülke için ulusal ve uluslararası ekonomi durma noktasına gelir. Dolayısıyla böyle bir bağımlılık ülkeleri bu konuda adım atmaya itiyor.

Mikroçip Kıtlığı

Her ne kadar mikroçip kıtlığı son yıllarda gündemimize girse de aslında sorunun başlangıcı pandemi öncesindeki ticaret savaşlarına kadar uzanıyor. Özellikle ABD ve Çin arasında yaşanan ek vergilendirme, ithalat ve ihracat yasakları birçok teknoloji firmasının stok yapmasına neden oldu. COVID-19 salgının başlamasıyla birlikte dünyada yaşam büyük ölçüde değişmeye başladı. Yaşanan değişiklikler birçok firmanın kısa ve orta vadeli planlarını yeniden gözden geçirmesine neden oldu. İnsanlar eve kapandı.

Çin gibi devasa üretim merkezlerinde üretime ara verildi. Hava yolları ve limanların kapanması gibi nedenlerle kargo hizmetleri zayıfladı. Firmalar sürecin oluşturacağı ekonomik durgunluğu hesaba katarak özellikle gıda dışında kalan sanayi ürünlerinde siparişleri azalttı. Sonuç olarak fabrikalar geçici olarak üretimi durdurdu. Ancak pandemiyle birlikte insanların özellikle evde kullandıkları bilgisayar, oyun konsolu, kamera ve mikrofon gibi elektronik ürünlere talebi arttı. 

Toplu taşıma kullanmaktan çekinenler otomobillere yöneldi. Tüm bu dalgalanma, tedarik zincirinde ciddi bir şok etkisi oluşturdu. Pandeminin yanı sıra çeşitli doğa olayları da üretimi etkiledi. Geçtiğimiz aylarda Tayvan’da yaşanan kuraklık, üretim için büyük miktarda su ihtiyacı duyan mikroçip fabrikalarını etkiledi.

Teksas’taki kar fırtınası nedeniyle üretimi durdurmak zorunda kalan Samsung mikroçip fabrikasının tam kapasiteye dönmesi aylar aldı. 

Japon Renesas çip fabrikasındaki yangının neden olduğu sorunlar hâlâ çözülebilmiş değil. Bunlara ek olarak; kripto madenciliği, yapay zekâ ve bulut teknolojileri gibi alanlarda Çip tasarımına ilgi duyuyorsanız aşağıdaki oyunlar ilginizi çekebilir: 

• Turing Complete Çeşitli yapbozlarla devre tasarlamayı öğrendiğiniz bir oyun. NAND Oyunu Görevleri tamamlayarak devre tasarımını öğrendiğiniz bir oyun. 
• https://nandgame.com Logic World Üç boyutlu devre tasarlayıp simülasyonlar yapabildiğiniz bir oyun. 
• https://bit.ly/3kttLJQ Silicon Zeroes Çeşitli devre elemanlarıyla başlayarak işlemci tasarladığınız bir oyun 
• https://bit.ly/3HaMcwq Shenzhen I/O Hem devre oluşturduğunuz hem de bu devreleri çalıştırabileceğiniz kodlar yazdığınız bir oyun
• .https://bit.ly/3wFrz6x 29 yaşanan gelişmelere bağlı olarak; yüksek performanslı bilgisayarlara duyulan aşırı talep de bu durumun gerekçeleri arasında gösteriliyor. Ayrıca önceki nesillere göre daha fazla çip kullanan 5G teknolojilerinin hızla yaygınlaşması da bir başka gerekçe… 

Neden Daha Fazla Üretilmiyor? 

Mikroçip üretmek hayli karmaşık bir iş, öyle ki insanlığın geliştirdiği en karmaşık ürünlerden biri olarak görülen mikroçipleri üretebilen ülkelerin sayısı parmakla sayılacak kadar az. Yarı iletken fabrikalarını açmak ve işletmek için milyarlarca lira yatırım, uzun bir süreç ve (belki de en önemlisi) ileri düzey bilgi birikimi gerekiyor. Ayda 50.000 levha üretecek giriş seviyesi bir fabrika açmanın maliyeti 15 milyar dolar! 

Üstelik bu alanda fabrikayı açıp işletmeye almak da yeterli olmuyor çünkü teknoloji sürekli geliştiğinden, piyasada rekabetçi olmak adına ciddi bir AR-GE bütçesi ayırmak gerekiyor. Bir başka deyişle, açtığınız fabrika yaklaşık beş yıl içerisinde teknolojik olarak geri kalıyor ve yeni yatırımlara ihtiyaç duyuyor. Diğer yandan, insan kaynağı açısından da güncel gelişmeleri takip eden yetişmiş uzmanlar bulmak kolay değil. 

Fizik, kimya ve elektronik gibi disiplinler arası bir alanda uzman bir kişinin yetişmesi yirmi yılı bulabiliyor. Pekin Üniversitesinin yaptığı bir araştırmaya göre, sadece Çin’de bile bu alanda yüz binlerce uzman eksiği bulunuyor. 

Çip üreticilerinin %80’i yetişmiş insan kaynağı bulmakta zorlandığını söylüyor. Böylesine rekabetçi ve ağır şartlarda ayakta kalabilmeyi başaran fazla üretici bulunmuyor. Mevcut fabrikalar da yedi gün yirmi dört saat çalışıyor. 

Sonuç olarak 

Yüksek rekabet, hızla gelişen teknoloji ve derin bilgi birikimi ihtiyacı yeni oyuncuların sektöre girmesini hayli zorlaştırıyor. Bugün için dünyada üretilen akıllı telefon işlemcilerinin büyük çoğunluğu TSMC firması, bilgisayar işlemcilerinin %80’i Intel, bellek çiplerinin çoğunluğu ise Samsung tarafından üretiliyor. Bununla birlikte, çip üretimi söz konusu olduğunda çeşitli siyasi ve çevresel kısıtlamalar da devreye giriyor. Örneğin Hollandalı ASML’nin Çin’e litografi makinesi ihracının ABD tarafından engellenmesi Çin’in yeni fabrikalar kurmasını zorlaştırıyor.

 Mikroçip fabrikalarının aşırı miktarda su tüketmesi de yaygınlaşmasının önündeki bir başka engel. Ortalama bir çip fabrikası günde 20.000 ton su tüketiyor. Bu rakam 58.000 kişilik bir şehrin günlük su tüketimine denk. Bu nedenle bir çip fabrikasının bu tür kaynaklarda sorun yaşamayacak yerlerde kurulması veya pahalı su arıtma sistemlerine sahip olması gerekiyor. 

Tüm bunlar da ek maliyet anlamına geliyor. Elbette talebin olduğu yerde arz da olacaktır ve özellikle devlet desteğiyle sektöre yeni oyuncular da girecektir ancak bunların ciddi bir üretim kapasitesine ulaşması yıllar alacaktır. Bilgi birikimi ve teknoloji gibi konularda sorunu olmayan, dünyanın en büyük çip üreticilerinden TSMC firmasının bile Japonya’da kuracağı fabrikanın üretime başlaması 2024 sonunu bulacak.