Bilgisayarda Çok Katlı İşlemci Devri >> Gökdelen işlemciler normal CPU’dan binlerce kat hızlı

14651 SkyscraperChips newsStanford Üniversitesi geleceğin süper hızlı, süper tasarruflu ve süper ucuz bilgisayarlarını geliştirmek için apart otellerden esinlendi.

4 katlı yeni “apartman işlemciler” üst üste binmiş transistor ve elektronik devre katmanlarından oluşuyor. Bu devreler gofreti andıran çok katlı yapısıyla hem yatay düzlemde hem de dikey düzlemde çalışarak büyük miktarda veri işliyor.

 

 

bigstock Tablet Computer Business Woman 32128895 1Çok katlı mantık devreleri

Bilgisayar dünyası 40 yıllık modern tarihinde hep daha hızlı, daha küçük, daha tasarruflu ve daha ucuz işlemciler geliştirmeye çalıştı. Özellikle Moore Yasası (aslında Kurzweil’ın artan getiri yasası) işlemci gücünün her 18 ayda iki katına çıktığını söylüyor.

Ancak, bunu işlemcileri gittikçe küçülterek yapıyoruz ve şimdiden standart üretim ölçeğinde 10 nanometreye dayandık. Oysa kuantum fiziğindeki Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi bakır teller ve diğer metallerden üretilen klasik işlemcilerin aşırı küçülmesini yasaklıyor.

Çünkü mikroskobik bir transistordaki iki minik tel birbirine çok yaklaştığında, işlemcinin çalışmasını sağlayan elektrik akımını taşıyan elektronlar komşu tele rastgele sıçramaya ve iki tel arasında gidip gelmeye başlıyor. Sonuç bilgisayarın aşırı ısınması, yanması ve kısa devre yapması.

 

 

14651-SkyscraperChips_2Alternatif arayışları

Uzmanlar bilgisayarların 5 yıl içinde bu sınıra dayanacağını öngörüyor. Bilgisayar üreticileri ve teknik üniversiteler de insan uygarlığının devamlılığı için gerekli olan bilgisayar dünyasındaki bu krizi aşmak için farklı çözümler geliştiriyor.

Bunların arasında iki ekol var: Bilgisayar işlemcilerini devrimsel teknolojilerle baştan yaratalım diyen bir grup bilim adamı optik bilgisayarlar, fotonik kristaller, bakır tel yerine grafenden üretilen elektronik çipler ve elektrik yerine manyetik alanla çalışan spintronik bilgisayarlar geliştiriyor ki biz de yeni bölümlerde bu teknolojileri ele alacağız.

 

 

F1.largeİkinci grup ise klasik devreleri daha fazla küçültmeyen, ama aynı zamanda işlemciyi de büyütmeyen yeni tasarımlara odaklanıyor. Bu araştırmacılar ışıkla çalışan fütüristik teknolojiler yerine klasik bilgisayarların fazla küçülmeden daha hızlı çalışmasını amaçlıyor.

Stanford’da bu gruba dahil olan bir ekip de klasik bilgisayar işlemcilerini çok katlı bir apartman gibi tasarlama yoluna gitti. Bulgularını geçen ay San Francisco’daki bir konferansta açıklayan ekip hem yatay hem de dikey düzlemde çalışan yeni mantık kapıları tasarladıklarını duyurdu.

 

 

83406923Elektronlar üst kata asansörle çıkıyor

Tasarımcılar bu konuda apart oteller ve çok katlı binalardan esinlendi. Hatta elektronları alt katlardan üst katlara taşıyarak dikey bilgi-işleme izin veren kuantum asansörler bile tasarladılar. Öyle ki 4 katlı yeni işlemci prototipi kuantum asansörlerle birlikte biraz da AVM’ye benziyor.

Nitekim tek katlı ana kartların en büyük sorunu veri yolunda trafik tıkanıklığı. Buna da işlemci ve tellerdeki ısınma yol açıyor. İşlemci hızlı bir oyun oynarken veya grafik tasarım yaparken aşırı yüklendiğinde ısınarak yavaşlıyor. İşlemci yorulduğu zaman ana kart üzerindeki bütün işlemler yavaşlıyor. Kısacası bilgisayarda trafik tıkanıyor.

 

 

14651 SkyscraperChips news14 katlı işlemcilerde bu sorun yok. Bir devre kartında trafik tıkandığı zaman dikey veri yolundaki mikroskobik kuantum asansörleri veriyi taşıyan elektronları üst kata çıkarıyor ve üst kattaki işlemciyle çalışmalarını sağlıyor.

Ancak bu sistemin en güzel yanı tek bir işlemciyi bile kendi içinde 4 kata ayırarak görev dağılımı yapması. Bu da tek çekirdekli bir işlemcinin 4 fiziksel çekirdek ve 4 sanal çekirdekten oluşan modern bir Intel Core i7 CPU kadar hızlı çalışmasını sağlıyor. Hem 4 çekirdekli hem de 4 katlı olarak üretilen işlemciler ise 8 çekirdekli standart bir CPU’dan daha küçük olacak ve binlerce kat hızlı çalışacak.

 

 

woman with old computer e1300719872359Dikey çip mimarisi

Öncü çalışmayı yapan ekibin başında elektrik mühendisliği ve bilgisayar bilimleri doçenti Subhasish Mitra bulunuyor. Mitra ekip arkadaşlarıyla birlikte tasarladıkları dikey çip mimarisini 15-17 Aralık 2014’te düzenlenen IEEE Uluslararası Elektronla Çalışan Aygıtlar Toplantısı’nda (IEDM) tanıttı.

Stanford’da çalışan araştırmacılar bilgisayar tasarımına üç yenilik getiriyor: 1) Yeni transistorlar, yani bilgisayar için 0’lı 1’li yeni mantık kapıları, 2) Çok katlı işlemci destekleyen yeni RAM modülleri ve 3) çok-katlı çip tasarımı.

Mitra konuyu şöyle açıklıyor: “Bu araştırma henüz başlangıç aşamasında ama tasarım ve üretim tekniklerimiz ölçeklenebilir. Bu mimari geliştirildiği zaman bilgisayar performansı bugünküne göre kat kat artacak.”

 

 

70098463 handholdingcntwafer 008Isınma sorunu

Mühendisler 40 yıldır silikon devre üretiyor, ama bilgisayarlar çalışırken çok ısınıyor. Bu yüzden bazı oyun bilgisayarlarına fan yerine sıvı soğutma sistemi takılıyor. Oysa ısınma enerjinin havaya kaçıp ziyan olması demek. Isınan bilgisayarlar hem yavaş çalışıyor hem de açığı kapatmak için daha fazla elektrik tüketiyor. Her durumda akıllı telefon pilinin çabuk bitmesinin en büyük sebebi bu.

Araştırmacılar ısınma sorununu karbon nanotüplerle (CNT) aşmaya çalışıyor. Bu tüpler o kadar ince ki bir saç teline 2 milyar CNT yan yana sığabilir. CNT’ler süper ince olduğu için bunları aç-kapa gibi mantık işlemlerinde kullanmak çok kolay ve CNT transistorlar bu yüzden daha az elektrik tüketiyor.

 

 

MitraWongNewsStanford’un çözümü

Stanford üniversitesi bu sorunu çözmek için hem işlemci hem bellek olarak çalışan çok katlı çipler geliştirdi. Bunun için de 4 katlı çipin katmanlarını birbirine çok sayıda mini CNT ile bağladı. Bugüne kadar veri yollarında CNT kullanılmasının sebebi milyonlarca karbon nanotüpü yan yana döşemenin zor olmasıydı.

Stanford ekibi bu sorunu dahice bir tasarımla çözdü: Önce CNT’leri standart teknikle kuvars yaprakların üzerinde büyüttüler. Ardından tüplerin üzerine seloteyp gibi yapışan bir metal bant bastırdılar. Bu yapışkan bant sayesinde aynı anda binlerce karbon nanotüpü hiç bozmadan yan yana kaldırdılar ve kuvars yapraktan çektikleri CNT’leri çok katlı çip üretiminde kullanılan silikon kartın üzerine yerleştirdiler.

 

 

woman computerAncak, günümüzün hızlı işlemcileriyle yarışacak bir karbon nanotüp işlemci geliştirmek için bu işlemi 13 kez tekrarlayıp milyonlarca karbon nanotüpü mikro transistor devreleri gibi yan yana getirmek zorunda kaldılar. Doğrusu yapışkan bant işlerini kolaylaştırdı.

Böylece laboratuar ortamında dünyanın en yüksek yoğunluklu ve en yüksek performanslı CNT çiplerini ürettiler. Bunu fabrika yerine laboratuarda yapmaları elbette ayrı bir başarıydı fakat asıl başarı, aynı zamanda dünyanın ilk çok katlı CNT çipini üretmiş olmalarıydı.

 

 

Nasa space elevYa bellek, ya RAM?

Stanford ekibinin karbon nanotüplere ek olarak kullandığı ikinci devrimsel teknoloji bellek ünitelerini titanyum nitrür, hafniyum oksit ve platinden üretmeleri. Böylece bellekleri metal/oksit/metal katmanlarından oluşan elektronik sandviçler halinde imal ettiler.

Üç metalden oluşan sandviç belleğe bir yönden elektrik verildiği zaman bellek yalıtkan oluyor. Elektrik akımının yönü değiştirildiğinde ise iletken oluyor. Aynı özellik çığır açıcı grafende de var, ama grafen farklı metallerden üretilen bir sandviç değil ve bunun yerine tek atom kalınlığındaki saf karbondan oluşuyor. Bu yüzden de potansiyel olarak daha kullanışlı.

 

 

E29A2421 BD75 4F5A BFEE17FA44D391E6 articleSonuçta belleğin iletken veya yalıtkan olması dijital dünyada 1’ler ve 0’lara karşılık geliyor. Bu sebeple de yeni çip RRAM, yani yalıtkan rastgele erişimli bellek olarak adlandırılıyor. RRAM geleneksel RAM’den daha az elektrik kullanarak pil ömrünü uzatıyor.

RRAM sayesinde çok katlı işlemci de daha düşük sıcaklıklarda çalışıyor ve enerjiden tasarruf sağlıyor. Sonuçta elektrik akımının yönünün değiştirilmesi aynı akımda iki kere veri kodlamaya izin veriyor.

 

 

silicon chipArabağlantı katmanları

Çok katlı işlemcinin diğer bileşeni olan arabağlantı katmanları ise Stanford Üniversitesi elektrik mühendisliği mezunu Max Shulaker ve Tony Wu’nun elinden çıktı. İki yeni mezun bu konuda RRAM ve karbon nanotüplerde kullanılan düşük sıcaklıkta üretim özelliğinden yararlandılar.

Hem RRAM modülleri hem de CNT’lerin düşük sıcaklıkta üretilmesi, bellek birimlerini doğrudan karbon nanotüp işlemcilerin üzerine yerleştirmelerini sağladı. Oysa bu bileşenler çalışırken aşırı ısınsaydı birbirini yakar ve araya yalıtım katmanı koymak gerekirdi. Bu da çok katlı çipi ağırlaştırarak elektrik tüketimini artırırdı.

 

 

20140611 avf 28061 largeÖrneğin geleneksel silikon çiplerde belleği doğrudan devrenin üzerine yerleştirmek imkansız. Lokal RAM sıcaklığı bin dereceye erişiyor ve bilgisayara fan taksanız bile bu sıcaklıkta bütün işlemciler erir. Ancak, yeni çok katlı işlemcinin gerçek gücünü anlamak açısından şu son noktaya dikkat etmek gerekiyor:

Stanford’un 4 katlı işlemcisi dünyanın ilk çok katlı CPU’su değil, fakat eskiden her katman karbon nanotüpler yerine bildiğimiz tellerle birbirine bağlanıyordu. Bakır teller ve diğer metaller çok ısınarak performans kaybına uğradığı için çok katlı işlemcilerde veri tıkanıklığını önlemek mümkün olmuyordu. Yeni modelde ise farklı katları karbon nanotüpler bağlıyor ve bunlar ısınmadığı için trafik tıkanıklığına yol açmıyor.

 

 

102674658Yenilikçi tasarım, klasik bakış

IEDM’de sergilenen prototipin amacı mantık kapıları ile bellek birimlerini üç boyutlu yapılar halinde inşa ederek çok katlı çiplerin mevcut fabrikalar ve mevcut teknolojilerle nasıl seri üretileceğini göstermekti. Zaten Wong’a göre asıl sorun burada:

Fotonik kristaller ve kuantum bilgisayarlar yeni adım attığımız bilinmeyen teknolojiler. Bunları geliştirmek ve üretmek için yeni fabrikalar kurmak gerek, ama silikon ve bakırdan üretilen çok katlı çipleri yepyeni bir teknoloji icat etmeden mevcut fabrikalarda üretebiliriz. Bu da ekonomik krizde artan maliyetlere rağmen bilgisayar sektörünü ayakta tutmanın en garantili yolu.

 

 

stanford universityAçıkçası ben de Wong’a pek katılmıyorum. Bence elimizde hem buharlı motor hem dizel motor varsa buharlı motorda inovasyon yapmak yerine çok daha verimli olan dizel motora geçeriz. Nitekim 1905’te öyle oldu. Buharlı motorları terk etmeye başladık ve dizel motorlara geçtik ama buharlı motor teknolojisinin ortadan kalkması 45 yıl aldı.

Optik bilgisayarlar ve grafen bilgisayarlar klasik bilgisayardan o kadar hızlı olacak ki çok katlı bilgisayar devreleri aradaki açığı kapatmaya yetmeyecek. Dolayısıyla nihai hedefimiz devrimsel teknolojiler olmalı.

Öte yandan, Wong’un dediği gibi elimizde henüz kullanışlı optik bilgisayarlar yok ama çok katlı silikon işlemciler hazır. Bu açıdan bakarsak çok katlı işlemcilerin 2030’a kadar ara teknoloji olarak kullanılacağını söyleyebiliriz. Hep birlikte göreceğiz.

 

8 Comments

Add a Comment

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir