Paylaş
0
Bir bilgisayarın işlemcisini elinize aldığınızda ilk fark edeceğiniz şeylerden biri geometrisi. Intel ve AMD'nin masaüstü işlemcileri farklı boyutlara sahip olsa da karşımıza neredeyse her zaman kare veya dikdörtgen biçiminde çıkıyor. Telefon ve dizüstü bilgisayarlardaki işlemci paketlerinde de benzer geometriler görüyoruz.
Peki işlemciler neden yuvarlak, üçgen veya başka bir şekilde üretilmiyor? Üstelik işlemcilerin temelini oluşturan silikon wafer'lar daireselken son ürünün köşeli olması ilk bakışta biraz garip görünüyor. Cevap, fabrikadaki üretim sürecinden devre tasarımına ve işlemcinin anakarta bağlanmasına kadar uzanan bir dizi avantajda saklı.
İçerikten Görseller
+4
İşlemcilerin yolculuğu yuvarlak silikon wafer ile başlıyor
İşlemcinin kare şeklini anlamak için önce gördüğümüz metal parçayla gerçek işlemci yongasını birbirinden ayırmak gerekiyor. Masaüstü bilgisayarlarda elimizde tuttuğumuz büyük kare parça yalnızca silikon yongadan oluşmuyor.
İşlemci paketinin içerisinde asıl hesaplamayı yapan bir veya birden fazla küçük silikon die bulunuyor. Bunların üzerinde milyarlarca transistör yer alıyor. Paketin üst kısmındaki metal bölüm ise ısı yayıcı olarak görev yapıyor ve soğutucunun işlemciyle daha geniş bir yüzey üzerinden temas etmesini sağlıyor.
Bu küçük yongaların üretimi büyük silikon waferlar üzerinde gerçekleştiriliyor.
Wafer'ların dairesel olmasının sebebi silikon kristalinin üretim yöntemiyle bağlantılı. Yüksek saflıktaki silikon, tek kristalli silindirik külçe hâline getiriliyor. Bu silindirik yapı son derece ince dilimler hâlinde kesildiğinde ortaya yuvarlak wafer'lar çıkıyor.
Modern yarı iletken üretiminde yaygın olarak 300 milimetre çapında waferlar kullanılıyor. Fabrikada aynı wafer üzerinde çok sayıda işlemci yongası birlikte üretiliyor.
Yani üretim hattının başında yuvarlak bir silikon disk var. Üzerinden çıkan yongaların ise çoğunlukla dört köşeli olması gerekiyor.
Asıl ilginç geometrik problem de burada başlıyor.
Yuvarlak waferdan neden kare yongalar kesiliyor?
Bir daireyi boşluk bırakmadan yan yana dizemezsiniz. Kareleri ve dikdörtgenleri ise düz bir yüzey üzerinde aralarında minimum boşluk kalacak şekilde tekrar eden bir düzende yerleştirebilirsiniz.
Yarı iletken üreticileri wafer üzerine tek bir dev işlemci yapmak yerine aynı tasarımın çok sayıda kopyasını yerleştiriyor. Fotolitografi gibi üretim aşamalarının ardından wafer üzerinde yan yana duran çok sayıda die oluşuyor.
Bu yongaların kare veya dikdörtgen biçiminde düzenlenmesi, aralarında düz kesim hatları bırakılmasına izin veriyor.
Üretim tamamlandığında wafer üzerindeki yongaların birbirinden ayrılması gerekiyor. “Dicing” adı verilen süreçte bu düz sınırlar boyunca kesim yapılarak ayrı die'lar elde ediliyor.
Yongalar yuvarlak olsaydı aralarında kullanılmayan silikon alanları kalacaktı. Üstelik her yonganın çevresini eğrisel biçimde kesmek üretim sürecini gereksiz yere karmaşıklaştıracaktı.
Dört köşeli tasarım ise düzenli satırlar ve sütunlar oluşturuyor. Kesim işlemleri de bu geometrik düzene uyum sağlayabiliyor.
Elbette yuvarlak wafer'ın kenarlarında yine tam olarak kullanılamayan bölgeler kalıyor. Kenara denk gelen bazı yonga desenleri eksik kaldığı için işlevsel bir işlemciye dönüşemiyor. Fakat kare veya dikdörtgen die düzeni wafer'ın büyük bölümünün verimli kullanılmasına yardımcı oluyor.
İşlemcinin içindeki transistörler de kare mi?
İşlemcinin dışarıdan kare görünmesi içerisindeki bütün bileşenlerin küçük kareler hâlinde olduğu anlamına gelmiyor.
Modern işlemciler milyarlarca transistörden, bağlantı katmanlarından, önbellek bloklarından, işlem çekirdeklerinden ve farklı kontrol devrelerinden oluşuyor. Bunların geometrisi üretim teknolojisine ve tasarım ihtiyaçlarına göre değişebiliyor.
Ancak çip tasarımında düzenli yerleşim büyük avantaj sağlıyor.
İşlemci mühendisleri bir yonganın içerisindeki alanı farklı işlevsel bölümlere ayırıyor. CPU çekirdekleri, önbellek, bellek kontrolcüleri, giriş-çıkış birimleri ve başka devreler belirli bir yerleşim planına göre konumlandırılıyor.
Kare veya dikdörtgen bir çalışma alanı bu blokların düzenlenmesini kolaylaştırıyor. Dijital tasarım araçları da devreleri ve bağlantıları bu sınırlar içerisinde optimize edebiliyor.
Buradaki hedef işlemcinin güzel görünmesi değil. Elektrik sinyallerinin izleyeceği yolların uzunluğu, güç dağıtımı, sıcaklık yoğunluğu ve üretilebilirlik gibi çok sayıda değişken aynı anda hesaba katılıyor.
Bu nedenle gerçek işlemci die'ı her zaman tam kare olmak zorunda değil. Birçok yonga belirgin biçimde dikdörtgen olabilir.
Kullanıcıların gördüğü işlemci paketi ise die'ın kendisinden çok daha büyük olduğundan, içerideki silikonun gerçek boyutu dışarıdan kolayca anlaşılmıyor.
Peki işlemciler yuvarlak üretilseydi ne olurdu?
Teknik olarak yuvarlak bir silikon yonga üretmenin fizik kurallarına aykırı bir yanı yok. Sorun bunun seri üretimde anlamlı bir avantaj sağlamaması.
Yuvarlak yongaları wafer üzerine yerleştirdiğinizi düşünün. Her dairenin çevresinde diğer yongaların dolduramadığı küçük boşluklar oluşurdu. Bir wafer'dan mümkün olduğunca fazla çalışan yonga elde etmek isteyen üretici için kullanılmayan her alan maliyet demek.
Üstelik wafer üzerindeki yongaları birbirinden ayırma süreci de zorlaşırdı. Düz çizgiler boyunca seri kesimler yapmak yerine her yonganın çevresinin takip edilmesi gerekebilirdi.
Yuvarlak şeklin devre yerleşimi açısından da belirgin bir kazancı bulunmuyor. İşlemcinin içerisindeki işlevsel blokları düzenli biçimde yerleştirmek için dört köşeli alan oldukça kullanışlı.
Bir de paketleme aşaması var. Silikon die üretildikten sonra doğrudan anakarta yapıştırılmıyor. Elektrik bağlantılarının dış dünyaya taşınması, mekanik koruma ve ısı transferi için farklı paketleme yöntemleri kullanılıyor.
Kare veya dikdörtgen paketler baskılı devre kartları üzerindeki diğer bileşenlerle de düzenli biçimde yan yana yerleştirilebiliyor.
Dolayısıyla yuvarlak işlemci yapmak imkânsız değil. Sadece mevcut üretim yöntemlerinde daha pahalı ve daha verimsiz bir çözüm olurken karşılığında belirgin bir fayda getirmiyor.
Gördüğümüz kare parçanın tamamı işlemci değil
Masaüstü bilgisayarlardaki bir CPU'yu gördüğümüzde büyük metal yüzeyin tamamını işlemci yongası sanmak kolay. Gerçekte silikon die bunun altında bulunan çok daha küçük bir parça.
AMD ve Intel gibi üreticiler, işlemciyi kullanıcıya paketlenmiş hâlde sunuyor. Bu paket silikon yonganın elektrik bağlantılarını anakart üzerindeki sokete aktarıyor ve hassas bileşenlerin fiziksel olarak korunmasına yardım ediyor.
Üstte bulunan metal ısı yayıcı, işlemcinin ürettiği ısıyı daha geniş bir alana dağıtıyor. CPU soğutucusu da bu yüzeye temas ediyor.
Alt bölümde ise kullanılan soket sistemine göre temas noktaları veya pinler bulunabiliyor. Modern masaüstü platformlarında bu yapı üreticiye ve soket nesline göre değişiyor.
Paketin boyutları yalnızca içerideki silikonun büyüklüğüne göre belirlenmiyor. Elektrik bağlantılarının sayısı, soket tasarımı, güç ihtiyacı ve soğutma gereksinimleri de hesaba katılıyor.
Bu nedenle iki farklı işlemcinin silikon yongaları benzer büyüklükte olsa bile dışarıdan gördüğümüz paketlerin boyutları farklı olabilir.
Dizüstü bilgisayarlarda ve telefonlarda ise masaüstü CPU'larındaki gibi büyük metal kapaklı, kullanıcı tarafından sokete takılan paketler görmeyebiliriz. Bu cihazlarda işlemciler çoğunlukla anakarta lehimlenmiş paketler içerisinde yer alıyor.
Yine de dört köşeli geometri büyük ölçüde korunuyor.
Chiplet tasarımlar kare şekli değiştirdi mi?
Modern işlemcilerde artık tek bir büyük silikon yonga kullanmak her zaman tercih edilmiyor. Chiplet yaklaşımı sayesinde işlemcinin farklı bölümleri ayrı yongalar hâlinde üretilebiliyor ve daha sonra aynı paket içerisinde birleştirilebiliyor.
AMD'nin güncel masaüstü ve sunucu işlemcileri bu yaklaşımın bilinen örnekleri arasında. CPU çekirdeklerinin bulunduğu yongalar ile giriş-çıkış görevlerini yöneten yonga aynı paket içerisinde ayrı parçalar olabiliyor.
Intel da farklı ürünlerinde gelişmiş paketleme yöntemleriyle birden fazla işlem birimini tek pakette buluşturan tasarımlar kullanıyor.
Bu yaklaşım işlemcinin dışarıdan kare veya dikdörtgen görünmesini ortadan kaldırmadı. Tam tersine paketin içerisinde artık birden fazla dört köşeli yonga yan yana bulunabiliyor.
Chiplet tasarımının avantajlarından biri devasa tek bir yonga üretmek yerine daha küçük parçalar kullanabilmek. Büyük bir die üzerinde üretim hatası oluştuğunda kaybedilen silikon alanı daha fazla olabilir. Küçük yongalar belirli koşullarda üretim verimini artırabilir.
Üreticiler farklı üretim süreçlerini de aynı paket içerisinde birleştirebilir. Her bölümün en yeni ve pahalı üretim teknolojisiyle hazırlanması gerekmeyebilir.
İşlemci böylece tek bir silikon parçasından çok küçük bir elektronik sistem hâline geliyor.
Dışarıdan baktığımızda ise bütün bu karmaşık yapı hâlâ tanıdığımız dört köşeli paketin altında saklanıyor.
Kare şekil soğutmayı da kolaylaştırıyor mu?
İşlemcinin şekli yalnızca wafer kullanımı ve devre yerleşimi açısından değerlendirilmiyor. Isının işlemciden uzaklaştırılması da tasarımın temel problemlerinden biri.
CPU çalışırken küçük bir alan içerisinde ciddi miktarda ısı üretebiliyor. Bu ısının silikon die'dan paket üzerindeki ısı yayıcıya, oradan termal macuna ve son olarak soğutucunun tabanına aktarılması gerekiyor.
Düz ve dört köşeli yüzeyler soğutucu tasarımını kolaylaştırıyor. Soğutucu tabanı işlemcinin ısı yayıcısına geniş bir yüzey üzerinden temas edebiliyor.
Fakat “işlemciler daha iyi soğusun diye kare yapılıyor” demek tek başına doğru olmaz. Kare veya dikdörtgen geometrinin en güçlü avantajları üretim ve paketleme süreçlerinde ortaya çıkıyor.
Üstelik işlemcinin her bölgesi aynı miktarda ısı üretmiyor. Çekirdeklerin yoğun şekilde çalıştığı küçük bölgelerde sıcaklık diğer alanlardan daha yüksek olabilir. Modern işlemcilerde sıcaklığın dağılımı içerideki yongaların konumuna göre değişebiliyor.
Soğutucunun görevi yalnızca dış paketin tamamını soğutmak değil, bu küçük sıcak bölgelerden gelen enerjiyi mümkün olduğunca hızlı şekilde uzaklaştırmak.
Bu nedenle günümüz işlemcilerinde termal tasarım, dışarıdan gördüğümüz basit geometrinin altında oldukça karmaşık bir mühendislik problemine dönüşüyor.
İşlemciler gelecekte farklı şekillerde olabilir mi?
Yarı iletken teknolojileri sürekli değiştiği için gelecekte işlemci tasarımlarının bugünkünden farklı olması mümkün. Ancak bunun ilk olarak dış geometriden ziyade paketin içerisinde gerçekleşmesi daha olası.
Zaten bu değişimi görmeye başladık. Tek parça işlemcilerin yerini bazı ürünlerde chiplet sistemleri alıyor. 2.5D ve 3D paketleme yöntemleri sayesinde yongalar yalnızca yan yana değil, üst üste de yerleştirilebiliyor.
Belleğin işlemciye daha yakın konumlandırıldığı tasarımlar ve farklı işlevlere sahip silikon parçalarının aynı paket içerisinde birleştirilmesi giderek yaygınlaşıyor.
Yani geleceğin işlemcisi dışarıdan hâlâ dikdörtgen bir parçaya benzeyebilir ancak içerisindeki mimari bugünkü CPU'lardan tamamen farklı olabilir.
Yuvarlak bir işlemci paketinin ortaya çıkmasının önünde mutlak bir engel yok. Bir üretici isterse belirli bir ürün için alışılmadık paket tasarlayabilir. Fakat bunun anakart, soket, üretim ve soğutma sistemlerinde karşılığını verecek bir avantaj oluşturması gerekir.
Şimdilik kare ve dikdörtgen şekiller bu problemlerin çoğuna son derece pratik cevap veriyor.
Masamızdaki bilgisayarda gördüğümüz birkaç santimetrelik CPU paketinin geometrisi bile silikon kristalinin üretiminden wafer üzerindeki kesim çizgilerine kadar uzanan dev bir üretim zincirinin sonucu. Bir dahaki sefere işlemcinize baktığınızda bu küçük karenin arkasındaki mühendislik sizi de şaşırttıysa yazıyı teknoloji meraklısı arkadaşlarınıza göndermeyi ve sizin aklınıza takılan benzer donanım sorularını yorumlarda bırakmayı unutmayın.
