Milyonlarca Transistörün İnanılmaz Gücü

Teknoloji son 40 yılda inanılmaz bir ivme yakaladı. İnsanoğlunun icat ettiği ilk bilgisayar bir oda büyüklüğündeyken, şimdi ise cebimize bile sığabilecek boyutlara kadar indirgenmiş durumda. Peki bu durumun arkasında nasıl bir güç yatıyor. Bilgisayarların arkasındaki gücü, tüm işlemlerin beyni konumundaki işlemcileri masaya yatırıyoruz.

Bilgisayarın beyni, işlemciler!

Bilgisayarların en önemli parçası hiç kuşkusuz işlemcilerdir. İşlemciler için basit bir tabirle bilgisayarların beyni benzetmesini yapabiliriz. Çünkü, bilgisayarda yaptığımız her işlem, işlemci vasıtasıyla gerçekleşir. Çok basit olarak bilgisayarda bastığınız bir tuş bile, işlemcide işlenerek monitöre yansıtılır.

Peki bilgisayarın beyni olarak nitelendirdiğimiz işlemciler nasıl bir yapıya sahipler?

Bilindiği üzere işlemcilerin temelinde transistörler, dolayısıyla da diyotlar bulunmaktadır. Diyotlar aynı transistörler gibi yarı iletken elemanlardır. Yani bir yönde akım geçirirken diğer yönde ise geçirmezler. Dolayısıyla diyot bir devreye ters bağlansa bile kondansatör gibi patlamaz. Sadece devre çalışmaz. Diyotlar yapıldıkları malzemelere göre 0.3 ya da 0.7 voltluk tetikleme gerilimiyle çalışırlar. Bu yapı transistörler için de benzer dinamikleri içerir.

“Tarihteki ilk transistör”

:: iPhone’daki FinFET teknolojileri

Bugün kullandığımız işlemcilerin içerisinde milyonlarca transistör bulunmaktadır. Bir işlemcide kullanılan transistörlerin sayısı arttıkça o işlemcinin hızı ve yapabildiği işlem sayısı da artmaktadır.

İşlemciler verileri 1 ve 0 olarak algılayarak çeşitli algoritmalarla verilen komutları yerine getirir. Gerçek dünyada tanımladığımız her ifadenin dijital elektronik olarak tabir ettiğimiz alanda (bu alan 1 ve 0’lardan oluşur) mutlak bir karşılığı bulunmaktadır. Örneğin 5 sayısının dijital elektronikteki (bazı yerlerde bu kavram makine dili olarak da geçebilir) karşılığı “101”dir.  Ya da A harfinin karşılığı “01000001”dir. İşlemci, gelen elektronik sinyali 1 olarak, gelen nötr sinyali ise 0 olarak algılar.

Basitçe anlatmak gerekirse, klavyede 5 tuşuna bastığınızda, işlemciye önce pozitif sinyal verilir, sonra nötr sinyal verilir ve ardından tekrar pozitif sinyal verilerek ekrana 5 yazılması sağlanır.

Burada işin temelinde yine transistörlerin üstlendiği anahtarlama elemanı görevi yatmaktadır. Bilgisayarda “0” ve “1”lerin kapladıkları alana bit adı verilir.

İşlemcilerin sıçrama noktası

Eski bilgisayarlarda bulunan işlemcilerde kullanılan transistör sayısı bir hayli sınırlıydı. Transistörleri korumak için konulan dirençlerin de bir hayli büyük boyutlarda oluşu, üretilen işlemcileri de bir hayli hantal kılıyordu.

:: Tek molekülden transistör yaptılar!

Teknolojinin ilerlemesiyle birlikte devre elemanlarının boyutları küçülmüş, dolayısıyla işlemcilerin içerisinde kullanılan transistör sayısı arttırılarak, performans ve işlem sayısında da hatırı sayılar artışlar yaşanmıştı.

1971 yılı işlemciler için büyük bir  sıçrama noktası oldu. Intel, 1971 yılında binlerce transistörü silikon çip üzerine yerleştirerek ilk mikro işlemciyi üretti. 1971 öncesine kadar bilgisayarlar sadece büyük şirketler ve üniversiteler tarafından kullanılabiliyordu. Bunun en büyük sebebi yazımın başında da bahsettiğim gibi bilgisayarların oda büyüklüğünde olmasıydı.

Intel’in mikro çipleri üretmesiyle birlikte bilgisayarların boyutları da küçülmüştü.

Intel’in 1971 yılında satışa sunduğu Intel 4004 işlemcisinde 2300 transistör bulunuyordu. Bu işlemcinin ana kartta kapladığı alan 12  mm²’ydi.  Intel mikro işlemci alanındaki çalışmalarını hızla devam ettirdi. 1972 yılında çıkan Intel 8008 işlemcide 3500 transistör vardı. Transistör sayısının artmasıyla mikro işlemcinin kapladığı alanda 2 mm² artarak 14 mm² olmuştu.

Günümüze geldiğimizde transistör sayılarının iyice tavan yaptığını söyleyebiliriz. Örneğin 2012 yılında satışa çıkan 4 çekirdekli i7 işlemcilerde tam 1.7 milyar transistör bulunuyor. Bu transistörler bilgisayarların aynı anda yüzlerce işlem yapmasını gerçekleştirmektedir.

İşlemcilerin çekirdek yapısı

İşlemcilerin, gelen komutları şekillendirmesini sağlayan 4 tane temel bileşen bulunmaktadır. İşlemcide matematiksel olarak nitelendirebileceğimiz ikomutları şekillendiren bölüme ALU (Aritmetik ve Mantıksal İşlem Birimi) adı verilir. ALU fonksiyonu ne kadar fazlaysa işlemci de doğru orantıda performans kazanır.

İşlemcilerin diğer bir önemli bileşeni ise Komut Çözücü yani Instruction Decoder’dır. Bu bölüm anabellekteki verilerin çözümlenmesi için gerekli işlemleri başlatır. Diğer bir deyişle normal verileri, makine diline çevirerek çözümleme sürecini başlatır.

Dört temel bileşenden bir diğeri ise Kaydedici (Registers) bölümüdür. Bu bölümde veriler işlenmek üzere kaydedilir. Bu kayıt işlemi geçicidir. Komut sırası geldiğinde işlem Instruction Decoder bölümüne aktarılarak gerçekleştirilir.

İşlemcilerin en önemli fonksiyonlarından birisi de Veriyolu’dur. (Bus) İşlemcinin diğer bilgisayar donanımlarıyla bağlantısını sağlayan elektriksel yollar, işlemcilerin sinir sistemi olarak da tabir edilebilir.

Büyük evrim

İlk çıkan mikro işlemci olarak kabul edilen Intel 4004, 16 bacaklı basit bir entegre görünümündeydi. Bu entegre günümüzde meslek liselerinde yaptırılan birçok basit devrede hala işlevsel olarak kullanılmaktadır.

Teknolojinin gelişmesiyle birlikte işlemcilerdeki bacak (yada soket) sayısı da 1000’li sayılara kadar ulaşmıştır. Örneğin Intel’in Pentium 4 serisinin son işlemcilerinde 775 ayak bulunmaktadır.

:: Yeni nesil işlemciler için büyük gelişme

Entegre şeklindeki işlemciler ana kartlara monte şekilde üretilirken artık günümüzde soket şeklinde bir tasarıma geçilmiştir. Intel 4004 işlemcisi anakarta lehimlenerek monte edilirken, son çıkan işlemciler ise basit bir şekilde sokete takılıp, çıkartılabilmektedir.

:: Şu an bilgisayarınızda hangi işlemciyi kullanıyorsunuz?