İşlemci (CPU) nedir ve nasıl çalışır sorularının cevaplarını sizler için derledik.
İşlemci Nedir?
Günümüzde bilgisayarlardan akıllı telefonlara birçok teknolojik cihazı satın alırken, ilk akla gelen sorulardan birisi “işlemcisi ne?” oluyor. Hızla gelişerek her geçen gün daha fazla performans sunan işlemcilerin tüm detaylarını yazımızda bulabilirsiniz.
CPU’nun İngilizce açılımı Central Processing Unit. Türkçe yazılışı Merkezi İşlem Birimi olan işlemciler, 1970’li yıllarda ilk kez hayatımıza girdiğinde binlerce transistöre sahipti. Şimdi ise gelişen teknoloji ile milyonlarca transistörün silikon bir çip üzerinde birleştirilmesi ile meydana geliyor.
Mantıksal ve aritmetik işlem yapma yeteneğine sahip olan işlemciler, bilgisayarların yazılım komutlarını gerçekleştiren ve verileri işleyen bölümü olarak ifade edilebilir.
İlk mikroişlemci olan Intel 4004’ün 1970’te, geniş çaplı bir mikroişlemci olan Intel 8080’in ise 1974’te tanıtılmasından sonra günümüze kadar uzanan gelişim, işlemci (CPU) teriminin mikroişlemciler yerine kullanılmasına neden oldu.
Çalışma hızları üretim teknolojisine ve kullanılan mimariye bağlı olarak değişkenlik gösteren işlemcilerin hız birimleri Hz, MHz ve GHz olarak ifade edilirken, gelişen teknolojiyle birlikte günümüzde genelde hız birimi GHz olan işlemciler var.
İşlemcilerin tek kalıp üzerinde üretilmesinin sağladığı avantajlar, 10 MHz civarlarında olan saat hızlarının günümüzde GHz seviyelerine taşınmasına çok önemli faydalar sağladı.
İşlemci (CPU) Nasıl Çalışır?
Daha önce de ifade ettiğimiz gibi mantıksal ve aritmetik işlem yapma yeteneğine sahip olan işlemciler, makine dili olarak adlandırılan, 0 ve 1’lerden oluşan düşük seviyeli kodlama sistemi ile çalışmaktadır. Komutların yerine getirilebilmesi için işlemciye gönderilen elektrik sinyalleri, milyonlarca transistörlerden geçmekte ve toplama, çıkarma, çarpma ve bölme gibi temel matematiksel işlemlere dönüştürülmektedir.
Bu işlemlerin gerçekleştirildiği birim olan ALU (Arithmetic Logic Unit) olarak adlandırılıyor. Ayrıca çeşitli kontrol bileşenleri ve veriyolları işlemcinin içinde yer almaktadır.
İşlemci (CPU) Nasıl Üretilir?
İşlemci üretim aşamaları ile ilgili bilgi sahibi olabimek için, geçtiğimiz yıllarda Intel firmasının paylaştığı High-K işlemci üretim evrelerini sizlerle paylaşıyoruz;
Yer kabuğunda oksijenden sonra en çok bulunan element silikondur. Çok bulunması, elbette saf halde her yerde karşımıza çıkacağı anlamına gelmez. Kum tanelerinde silikon dioksit (SiO2) şeklinde bulunan silikonu öncelikle saf hale getirmek gerekmektedir.
Bu işlemden sonra silikon 100 kg ağırlığındaki külçeler haline getirilir. Bu külçeler 1 mm kalınlığında dilimler halinde kesilir. Bu dilimlere “wafer” veya yonga plakası adı verilir. Bu plakaların iyice cilalanması gerekmektedir.
Kesilen ve cilalanan plakalar ışığa dayanıklı bir katmanla kaplanır. Bu katmanın belirli bir deseni bulunur. Böylece plaka iyon bombardımanına tutulduğunda bu desene göre bir yapı ortaya çıkarır.
Işığa duyarlı katmanla kaplanan plakalar daha sonra yüksek güçlü iyon ışınına maruz bırakılır. Bu işlem plakanın iletkenlik özelliklerini değiştirmektedir. Işığa dayanıklı malzemenin desenine göre plakanın üzerindeki bazı bölgeler iletken, bazı yerler ise yalıtkan olmaktadır. Bu işlemden sonra ışığa dayanıklı katman çıkarılır.
Potansiyel elektrik kaçaklarının önlenebilmesi ve işlemcinin uzun vadede güç açısından daha verimli olabilmesi için katmak üzerine dielektrik madde ve onun üzerine üzerine ışığa duyarlı yeni bir madde eklenir.
Plaka döndürülerek bu maddelerin her noktaya eşit olarak yayılması sağlandıktan sonra, üzerinde özel desen bulunan bir filtreye mor ötesi ışık gönderilir. Bu ışık önce filtreden sonra da bir mercekten geçerek mikroskobik ölçekte ayar yapar. Filtrenin şekline göre gelen ışık, ışığa duyarlı maddeyi çözer. Böylece ortaya özel bir şekil çıkar.
Bir sonraki aşamada mor ötesi ışıktan etkilenmeyen alanı ve üretim mimarisinde yer verilen ve artık gerekli olmayan maddeleri çözen bir madde kullanılmaktadır.
Desen oluşturulduktan sonra transistörler tamamlanmış olurlar. Ancak plaka üzerindeki milyonlarca transistör arasında bir bağlantı henüz yoktur. Bunu oluşturmak için tüm plaka öncelikle bir yalıtım malzemesi ile kaplanmaktadır. Yalıtım malzemesinin üzerine 3 adet delik açılır. Bundan sonra plaka bir bakır sülfat çözeltisine batırılır ve elektroliz yolu ile tüm plaka bakır kaplanır.
Bakır kaplama daha sonra yalıtım malzemesi tekrar ortaya çıkana kadar temizlenir. Böylece delinen ve daha sonra içi bakırla kaplanan 3 delik ortaya çıkar. Bu bakır kısımlar, transistorlar arasındaki bağlantıların birleşme noktalarını oluştururlar.
Transistörler Arasındaki Bağlantıları Oluşturmak
Transistörler arasındaki bağlantıları oluşturmak, işlemci üretiminin en karmaşık ve en önemli evresidir. Transistörler arasında çok karmaşık bağlantılar oluşturulur, bu bağlantılar işlemcinin performansını doğrudan etkilemektedir.
Yeni nesil işlemcilerde bu bağlantıların bir transistör üzerinde 30 katmana kadar gittiği ifade ediliyor. Eğer işlemcinin içi açılıp mikroskopla bakılırsa düz bir yüzey yerine iç içe geçmiş yollar görülebilir. İlk temel kalite testleri de bu aşamadan sonra yapılır.
Tüm bu işlemlerden sonra yongalar artık hazır hale gelmiş durumda. Yonga plakaları tek tek kesilerek bilgisayarda kullanılan işlemcilerin içindeki yongalar haline gelir.
Tek tek kesilen yongalar daha sonra özel bir tabakanın (PCB) üzerine yapıştırılır. Üzerine de çalıştığında oluşan ısının iletilmesini sağlayan metal bir plaka yerleştirilir. Artık görmeye alıştığımız şekillere gelen işlemciler özel bir cihazda test edilir. Bu cihaz işlemcilerin frekansını ve termal özelliklerini tespit eder. Üretim aşamaları esnasında oluşan en ufak bir durum işlemcinin gücünü etkileyecektir.
Bu sebeple aynı plakadan çıkan her işlemcinin özellikleri aynı olmaz. İşlemciler frekansları ve diğer teknik özellikleri belirlendikten sonra sınıflara (Intel Core i7, Intel Core i9 vs.) ayrılmaktadır.