İşlemcilerin Üretimi...

Çoğu insan kenarlarından ufak iğnelerin çıktığı dörtgen parçanın işlemci çipi olduğunu sanır. Aslında bu yanlıştır. Bilinen bu şey çipi saran plastik parçanın kendisidir. Asıl çip bu plastiğin içerisinde tırnak büyüklüğü kadar bulunan üçgen şeklindeki minik bir silikondur.

Moore Kanunu...

Çipler FAB (Fabrication Plant-Üretim Tesisi)’larda hazırlanır. Bir çip üretmek için kurulması düşünülen fab’ın maliyeti 1 milyon dolardan fazladır. Bu fab’larda tozların imalat sürecine zarar vermemesi için süper filitrelerle donatılmış temiz odaları bulunur. İşçiler de toz geçirmeyen kıyafetler giyer. (Intel reklamlarından aşina olduğumuz tavşan kılıklı kıyafetler) Üretim tesisi, minyatürize litografi tekniği ile milyonlarca transistörü wafer (gofret) denilen silikon tabakasının üzerine kazır. Hassas makineler her silikon dilimini düzinelerce ya da yüzlerce kalıba (çipe) ayırır. Günümüz çiplerinde silikon ve metalden oluşan birkaç tabaka bulunur. Metal tabakalar iletken, silikon tabakalar ise yarı iletkendir. Yarı iletkenler, üzerlerinden geçen sinyallere bağlı olarak, yalıtkan ya da iletken davranırlar. Bu zaten transistörlerin çalışma mantığıdır. Bunu anlamak için biraz elektronik bilgisi gerekir.

Teknolojik ilerlemeye bağlı olarak transistörlerin de boyları küçüldü. 1999 Mart verilerine göre ve o zamanın son teknolojisine göre üretilen transistörlerin büyüklüğü 0.25 mikron kadardır. Bir saç kalınlığının 100 mikron olduğunu düşünürsek karşımıza bayağı ufak bir şey çıkar. Bunun yanında internet üzerinden yaptığım araştırmalara göre 2000 yılında ve akabinde 0.18 mikronluk devrelere sahip çipler üretilmeye başlanacakmış. Bu anlamda ufalan transistör büyüklüğü bir çipin içine sığdırılacak transistör sayısını arttırır. CPU tarihini incelediğimde, bir işlemci çipinin kalıbına sığdırılan transistör sayısının, her 18 veya 24 ayda bir ikiye katlandığını gördüm. Bunu işlemci kronolojisi bölümünde verilen tabloya bakarak inceleyebilirsiniz. Söz konusu bu trende Moore Kanunu denir.

Üretim işleminin her yeni kuşağında daha güçlü, daha hızlı az enerji harcayan, daha ucuz çipler imal edilmektedir. Bu durumun en az 10 yıl daha böyle devam etmesi beklenmektedir. Söz konusu verilen zamanın ötesinde fiziksel problemler görülmektedir. Ama bakalım yeni teknolojiler yeni çözümler getirebilecek mi

İşlemci Üniteleri...

Esasen mikro işlemciler, açma kapama düğmeleri gibi çalışan milyonlarca transistörden oluşur. Elektrik sinyalleri, yazılmış bir program önderliğinde mikro işlemcide değişik sinyallere dönüştürülmektedirler. Bu işlemler ikilik sayma sistemi düzeyinde temel matematiksel işlemlerle yapılır. Yani sadece 0 ve 1 sayıları kullanılır. Her şey işlemci için ikilik sistemdir. Mesela Z harfi işlemci için, ikilik sayma sistemine dahil sayılardan oluşan 1011010 sayısına denk gelir. Bunlara bit (Binary Digit - İkilik Sayı) denir. CPU bu bitler üzerinde işlem yapabilmek için temel bir yazılıma ihtiyaç duyar ki bu söz konusu temel yazılım mikro işlemcinin çalışması için gereklidir. Bu yazılım veya program bir komut listesinden ibarettir ve işlemcinin içindedir. Bu komutlar duruma göre toplama işlemini yaptırabilir veya şartlı dallanma (Conditional Branch - Ekranda çıkan mesajlara olumlu veya olumsuz cevap vererek olasılıkların artırılması)‘ya cevap verdirebilir. Komutları yerine getirme işini ise işlemci içinde bulunan uygulama ünitesi (Execution Unit) veya fonksiyon ünitesi (Function Unit) sağlar. Modern işlemcilerde değişik komutların işlenmesi amacıyla birden fazla fonksiyon ünitesi bulunmaktadır. Bundan başka işlemci içinde tamsayı (Integer) işlemlerini yapan aritmetik/mantıksal ünitesi (Arithmetic /Logic Unit) ve küsuratlı sayı işlemlerini yapan kayan nokta ünitesi (FPU-Floating Point Unit) bulunmaktadır. Bir işlemcideki fonksiyon ünitesi ne kadar çoksa çalıştırılabilecek komut sayısı da o kadar çoktur.

İşlemci Mimarileri...

Mikro işlemciler, mimari (Architecture) sınıfınca gruplandırılırlar. Ortak mimariye sahip işlemciler, aynı komutları tanıdıkları için, aynı yazılımı çalıştırabilirler. Bir işlemcinin tanıdığı komutlar seti, o işlemcinin mimarisinin özelliğini belirleyen en büyük kriterdir. Bir başka özellik de register seti (register set) veya register grubu (register file) olarak bilinir. Register’lar işlem anında bir program tarafından kullanılmakta olan sayıların saklandığı geçici hafıza hücreleridir. Bunlar işlemcinin içinde bulunurlar. Farklı komut veya register’a sahip işlemciler birbirlerinin programlarını çalıştırmazlar. En popüler mikro işlemci mimarisi Intel x86’dı.Bu mimari bazen IA-32 (Intel Architecture 32-bit) olarak da adlandırılır.

Intel ilk x86 çipi olan 8o86’yı 1978 yılında çıkardı. O zamanlarda x86 modeli 6 kuşak evrim geçirdi. (Pentium II, III altıncı kuşak Pentium Pro’nun varyasyonlarıdır) Söz konusu çipteki bu gelişmeler;kronoloji bölümünde tablo olarak verilmiştir. Diğer şirketler de x86 ile uyumlu işlemciler üretmektedirler. Bunlar üstteki tabloda gösterilen AMD, CYRIX (National Semiconductor’a ait), CENTAUR TECHNOLOGY (IDT’nin İştirakıdır) ve RISE TECHNOLOGY.

Diğer mimariler ise şöyle sıralanmaktadır: PowerPC, Digital, Compaq, Silicon Graphics’in Mips Rxooo serisi, HP (Hewlett Packard)... vs. bu mimarilerin hiç biri ne kendi aralarında ne de x86 ile uyumlu değillerdir.

Mimariler ortaya çıktıkları dönemin hakim dizayn felsefesini yansıtırlar. X86’nın dünyaya geldiği 1970’lerde, veri saklama cihazları ve hafıza bugünün standartlarına göre çok kısıtlıydı. Bu kaynakları tasarruflu bir şekilde kullanabilmek için CISC (Complex Instruction Set Computing-Karmaşık Komut Setiyle Hesaplama) diye bilinen bir mimari benimsendi. CISC’in karakteristik iki özelliği, değişken uzunluktaki komutlar ile karmaşık komutlardı. Değişken uzunluktaki komutlar hafıza tasarrufu sağlamak amacını gütmekteydi. Çünkü basit komutlar karmaşık komutlardan daha kısaydı. Bu sayede kısa komutları karmaşık komutlar yerine değişebilir komutlar işlemekte idi ve karmaşık komutlar boşta kalarak uzun komutları işlemekte idi. Karmaşık komutlar birden fazla komutu birleştirerek uzun komut haline getirmekte ve işlemekte.

1980’lerin sonuna gelindikçe hafızayı tasarruflu kullanma konusu önemini yitiriyordu. CISC’in kısıtlamaları da mühendislerin ellerini kollarını bağlıyordu. Bu sebepten dolayı CISC’a rakip olarak RISC (Reduced Instruction Set Computing-Daraltılmış Komut Setiyle Hesaplama) ortaya çıkmıştır. RISC’in iki karakteristik özelliği vardır. Bunların ilki RISC’de komut uzunlukları 32 bittir ve sabittir. İkincisi ise her komutun bir tane basit işlemi yerine getirmesidir. Bu özellikler sayesinde fetch (komutu hafızaya taşıma), decode (komutun anlamını çözme) ve komutu çalıştırma işlemleri daha kolay yapılmakta idi. RISC’in kötü bir özelliği ise tüm komutları 32 bit olarak kabul etmesidir. Bu durumda 32 bitten kısa olan komutlar daha uzun gözükmektedir ve daha fazla hafıza gerektirmektedir.

RISC komutları sabit bir zaman diliminde işlem görmektedir. Bu da Süperskalar Pipelining özelliğini kullanan işlemciler için önemli bir özelliktir. Pipelining seri üretim yapan bir fabrika tekniği ile çalışır. Basit bir pipeline’da 5-6 aşama olabilir. Süperpipeline’da ise en az 10 aşama bulunur. Bu sayede birden fazla komut birden fazla aşamada işlem görebilmektedir. RISC bu tekniğe daha uygundur. Çünkü basitleştirilmiş komutlar pipeline’dan pürüzsüz bir şekilde akarlar ve CISC’ın neden olabildiği tıkanmalara yol açmaz. RISC işlemcilerinin başka avantajları da vardır. mesela register‘ları ve register grupları daha büyüktür. Ama bu biraz RISC’in, CISC işlemcilerinin dizayn edildiği zaman mevcut olmayan teknolojik ilerlemelerden yararlanmasından kaynaklanmıştır.

RISC ve CISC birbirleriyle taban tabana zıt değillerdir. Modern CISC işlemcilerinde RISC ilkelerinden bazıları kullanılır. Mesela Intel ve AMD’nin altınca kuşak işlemcileri, karmaşık komutları süperscalar pipeline’larda çalıştırmadan önce bunları daha basit, RISC’e benzer komutlara çevirirler.

Kaynak :Tom R. HALFHILL

İşlemci Kronolojisi...

KAYNAK : Nancy HIRSH; Josh LEVY PC Welt adlı yayının "Development Of CPU" bölümü.

İşlemcilerin Seçimi...

Bilgisayar almak isteyenler bu kadar işlemci karşısında ne yapacaklarını bilmezler. Öyle ki şu anda iki düzineden çok fazla seçeneğe sahipsiniz. Intel’in rakipleri, ilgi çekmek için ürettikleri çiplerin fiyatlarını Intel’inkilere göre önemli miktarlarda düşürmek zorunda olduklarından bu durum onları değerli kılıyor. Rekabet Intel’in üzerindeki fiyat kırma baskısını arttırdığından, piyasadaki tüm fiyatların düşmesine de neden oluyor. Böylece geniş işlemci seçenekleri arasında size uygun olan fiyat/performans oranını seçebiliyorsunuz. Yine de en iyi işlemciyi seçmede sizi pek çok tuzak bekliyor. Bu işlemcilerin bilgisayara takılması pek anlam ifade etmemekte. Çünkü her işlemci bir uygulamadan bir diğerine bayağı farklılık gösteriyor.

İşlemcilerin Hızları...

Mikro işlemci hızları genelde Mhz (MegaHertz) olarak ifade edilirler. Bir işlemcinin xxx Mhz hızında çalışması demek iç saatinin saniyede xxx milyon çevrim yaptığının göstergesidir. Saat frekansları işlemcinin performans ölçümünden çok motor devir göstergesidir. Bu rakamlar ancak aynı mikro mimariye sahip işlemcilerin karşılaştırılmasında geçerli olabilirler. Yoksa Pentium 200 Mhz ile Pentium Pro 200 Mhz aynı olurdu. Ama mikro mimarileri farklı olduğundan Pro daha hızlı çalışmaktadır.

Dizayn mühendisleri performansı daha arttırmak için branch prediction, speculative execution gibi teknikler kullanarak daha büyük ön bellek (cache) hafızalarına başvururlar. Branch prediction bir nevi kumardır. Programın karar verme noktasına ulaştığında kullanıcının vereceği kararı önceden kestirmeye çalışmasıdır. Static yöntemlerde her zaman aynı mantık yürütülür ve %50’den fazla ihtimal değerlendirilerek sonuca ulaşılır.

Daha gelişmiş işlemciler ise dinamik branch yöntemini uygulayarak kullanıcının önceden vermiş olduğu kararları değerlendirerek bir karar ulaşırlar. Speculative execution ise bu tekniği bir adım öteye taşır. İşlemci, sonucu tahmin ettikten sonra dallanma ardından çalıştıracağı komutları çalıştırmaya başlar. Ancak, dallanma sonucunun gerçekten de öyle olduğu teyit edilene kadar işlemci sonucu kendisine saklar. Tahmin yanlış çıkarsa bütün tahminler çöpe atılır ve yeni dallanma tahminine geçilir. Bu durumda karşılaşılan birka saat çevrimlik maliyete Misperdict Penalty (Yanlış Tahmin Cezası) denir. Bu maliyet özellikle süperpipeline işlemcilerde önem kazanır. Çünkü bu sistemlerde komutların işlendiği çok fazla aşamada vardır. Bu durumda yapılacak hatalı tahmin sonucunda boşaltılması gereken aşama sayısı çok olacaktır.

Kaynak :Tom R. HALFHILL

İşlemcilerde Slot Ve Soket...