Kırmık

Kırmık (İngilizce: die, çoğulu dice ya da dies), bir tümleşik devrenin üzerinde üretildiği tek parça yarı iletken gövdedir. Kırmıklar bir silisyum levha üzerinde topluca üretilir ve paketlenmeden önce levha kesilerek birbirinden ayrılır. Türkçe teknik yayınlarda levhanın kesilerek kırmıklara ayrıldığı anlatılır.

Levha üzerindeki kırmıklar önce sınanır, sonra levha kesilir ve sağlam kırmıklar paketlenir. Paketlenen kırmık yeniden sınanır. Kırmık ile paket arasındaki bağlantı çoğunlukla kırmığın kenarındaki metal yüzeylere bağlanan ince altın tellerle kurulur. Başka bir yöntemde kırmığın yüzeyine lehim topları konur, kırmık ters çevrilir ve toplar eritilerek pakete bağlanır (İngilizce: flip-chip).

Bir kırmığın maliyeti, levhanın maliyetinin levhadan çıkan kırmık sayısıyla kırmık veriminin çarpımına bölünmesiyle bulunur. Kırmık alanı büyüdükçe bir levhaya sığan kırmık sayısı azalır ve bir kırmıkta üretim kusuru bulunma olasılığı artar. Bu yüzden sağlam kırmık başına maliyet kabaca kırmık alanının karesiyle büyür. Hennessy ve Patterson'a göre işlemcilerin çoğunun kırmık alanı 1 ile 2,25 cm² arasındadır, üst düzey sunucu ve grafik işlemcisi kırmıkları 8 cm²'ye kadar çıkabilir.

Hennessy ve Patterson kırmık maliyetini ve levha başına kırmık sayısını şöyle verir:

C k = C l N × Y {\displaystyle C_{\mathrm {k} }={\frac {C_{\mathrm {l} }}{N\times Y}}}

N = π × ( d / 2 ) 2 A − π × d 2 × A {\displaystyle N={\frac {\pi \times (d/2)^{2}}{A}}-{\frac {\pi \times d}{\sqrt {2\times A}}}}

Burada C_k kırmığın, C_l levhanın maliyeti, N levha başına kırmık sayısı, Y kırmık verimi, d levhanın çapı ve A kırmık alanıdır. İkinci formülün ilk terimi levha alanının kırmık alanına oranıdır; ikinci terim, levhanın yuvarlak kenarında tam sığmayan kırmıkları düşer. Formül levhadan çıkabilecek en çok kırmık sayısını verir: 300 mm çaplı bir levhadan kenarı 1,5 cm olan kırmıktan 270, kenarı 1 cm olan kırmıktan 640 kırmık çıkar.

Kırmık alanı büyüdükçe verim düştüğü için yongaların büyüklüğü uzun süre sınırlı kaldı. Levhanın tamamını tek bir devre olarak kullanma fikrine levha ölçekli tümleştirme (İngilizce: wafer-scale integration) denir. Bu yoldaki ilk büyük denemelerden biri, Gene Amdahl'ın 1980'de kurduğu Trilogy Systems şirketidir. Şirket, IBM uyumlu bir ana bilgisayarı kenarı yaklaşık 2,5 inç (6,4 cm) olan ve ECL devreleri taşıyan kırmıklar üzerine kurmayı amaçladı. Tasarımda bozulan devrelerin etkisi oylama mantığıyla gideriliyordu. Trilogy 200 milyon doları aşan bir sermaye topladı, ama düşük üretim verimi, çok katmanlı bağlantıların yerinden kopması ve fabrika inşaatını geciktiren sel gibi sorunlarla karşılaştı. Şirket Haziran 1984'te ana bilgisayar projesinden, Ağustos 1984'te de levha ölçekli kırmıktan vazgeçti.

Cerebras Systems, 19 Ağustos 2019'da bir levhanın büyük bölümünü tek kırmık olarak kullanan Wafer Scale Engine (WSE) adlı yapay zekâ yongasını duyurdu. Yonganın alanı 46.225 mm² idi ve üzerinde 1,2 trilyondan fazla transistör vardı. Şirkete göre bu, o gün piyasadaki en büyük grafik işlemcisinin 815 mm²'lik kırmığından 56,7 kat büyüktü. Şirketin kurucusu Andrew Feldman, verim, güç dağıtımı ve paketleme gibi yonga büyüklüğünü sınırlayan sorunları çözdüklerini söyledi. Mart 2024'te duyurulan üçüncü kuşak WSE-3, TSMC'nin 5 nm süreciyle üretilir ve 4 trilyon transistör içerir.

Birden çok kırmık tek bir pakette birleştirilebilir. Bunun erken örneklerinden biri, IBM'in 1982'de yayımlanan bir makalede anlattığı ve 90×90 mm'lik çok katmanlı seramik bir altlık üzerinde 118'e kadar yongayı birbirine bağlayan modülüdür (İngilizce: thermal conduction module). Bu yolla büyük bir sistemi tek kırmıkta üretmek yerine daha küçük kırmıklara, yongacıklara (İngilizce: chiplet) bölmek mümkün olur. 2022'de kurulan UCIe birliği, aynı paketteki yongacıkların birbirine bağlanması için açık bir standart yayımladı. Apple'ın M5 Ultra yongası, her biri iki kırmıktan oluşan iki M5 Max'i birleştirerek dört kırmıklı bir yapı kurar.

Tek pakette birleştirilen kırmıklardan biri kusurlu çıkarsa paket çoğu zaman yeniden işlenemez ve öteki sağlam kırmıklar da ziyan olur. Bu yüzden paketlenecek kırmıkların levha üzerindeyken olabildiğince çok sınanması istenir. Sınanarak sağlam olduğu doğrulanmış paketlenmemiş kırmıklara İngilizcede known good die (KGD) denir. Bu ad, kırmıkların hepsinin bir sonraki aşamadaki sınamalardan geçeceği anlamına gelmez. JEDEC bu tür kırmıkların tedariki için bir standart yayımlamıştır.

• 
  Intel Pentium kırmıkları taşıyan 200 mm çaplı silisyum levha
• 
  Texas Instruments 5430 tümleşik devresinin kırmığı
• 
  Paketi açılmış Motorola MC14053B yongasında kırmık ve bağlantı telleri
• 
  Plastik paketi açılmış MSP430F1101A mikrodenetleyicisi
• 
  Unisys SCAMP işlemcisinin kırmığı
• 
  Atmel Diopsis 740 yongasının kırmığı

• Yarı iletken aygıt üretimi
• Yongada sistem