Bilgisayarda Çok Katlı İşlemci Devri >> Gökdelen işlemciler normal CPU’dan binlerce kat hızlı
Stanford 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.
Çok 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.
Alternatif 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.
İkinci 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.
Elektronlar 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.
4 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.
Dikey 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.”
Isınma 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.
Stanford’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.
Ancak, 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.
Ya 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.
Sonuçta 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.
Arabağlantı 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.
Örneğin 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.
Yenilikçi 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.
Açıkçası 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.
Yazınız her zamanki gibi yine mükemmel :). İnsanın okudukça okuyası geliyor :).
Bilgisayar teknolojilerinin hızla gelişimi evet belki verilen işlemlerin süper hızda yapılmasına olanak sağlıyor ancak problem şu ki bilgisayarlar gelişirken bizim beyinlerimiz yerinde sayıyor. Günümüz bilgisayar teknolojisine kıyasla beyinlerimiz çok hantal sayılır. Bilgisayarlar ile birlikte tam kapasite ve uyum içerisinde çalışamıyoruz. Yani bahsettiğim konu bilgisayarlari beynimizin içerisine, ekstra bir lob gibi yerleştirmekten bahsediyorum. Sanırım bir sonraki adım da komple beyinlerimizi bilgisayarlara aktarmak olurdu, yada insan gibi düşünen yazan çizen ancak çok daha hızlı işlem yapbilen robotlar insan ırkının geleceğini üstlenirdi ve biz organik insanlar son gerçek insan nesli olup ölüp giderdik. Akla daha yatkın geliyor, tüm insanların beynini aktarmaktansa sıfırdan insan gibi düşünen robotlar yapmak :). Şuan insanlığın en önemli dönemlerinden birini yaşıyoruz. Şuan alacağımız kararlar insan ırkının geleceğini önemli ölçüde etkileyecek ve kim bilebilir belki de büyük filtre önümüzde duruyor ve filtreden geçmek ise bizim omuzlarımıza binen büyük bir yük haline geliyor :). Şahsi fikrim filtre çok yakında ve insanlığın büyük çoğunluğunu da bu esnada kaybedeceğiz. Çok fazla gereksiz insan yaşıyor dünyada ve bilimin, teknolojinin gelişmesine katkıda bulunmadıkları gibi bir de engel oluyorlar… Eğer evrene yayılacak ve büyük bir imparatorluk kuracaksak veya tam tersi, teknolojik tekliliği tercih edip içimize kapanacaksak şuan ki insanların büyük çoğunluğunun elenmesi gerekecek :).
İnsan gibi düşünen robotlar insan olurdu zaten. İşte bu yüzden insan benzeri robot üretmek yerine insanlara bilgisayar gibi hızlı işlem yapma kabiliyeti kazandıracağımızı düşünüyorum. Bir de kartal bakışlar, keskin kulaklar, yüksek kondisyon gibi üstün güçler. İnsanın makineleşmesinden korkmuyorum. İnsan insanlıktan çıkmaz ama makineler insana benzerse… o sakat çünkü insan saldırgan bir varlık. Makineler insanlara saldırabilir. Ancak o tür makineler üretilmez. Sanılanın aksine teknolojinin dengeli geliştiği kanısındayım. Yapay Zekanın Şafağı yazı dizisine bakabilirsin blogda bu konuda.
Evet o yazı dizisini okudum, gayet güzel açıklamışsınız konuyu :).
Aslında benim bahsettiğim konu bir insan beynini makineleştirmenin, insan beyninden çok daha hızlı işlem yapabilen bir elektronik insan yaratmaktan zor olduğu :). Şu anki bedenlerimizin alacağı son hal, sıfırdan yapılmış bir robota benzeyecekse ekstradan zahmete girilir mi? 🙂 Prometheus filmindeki insana benzeyen robotlar yapılabilir.
Aslında olayın bir de dediğiniz yönü var, “İnsan insanlıktan çıkmaz ancak makineler insana benzerse…” sözü olayı açıklıyor aslında :).
Teknoloji sınırlarımızı aşmak için geliştiriliyor. Bu bağlamda insan beynini makineleştirmekten çok insan beyninin kapasitesini arttırmaktan söz etmek daha doğru olur. Daha hızlı düşünmek veya unutkanlığı gerektiğinde gidermek gibi. Gerektiğinde diyorum çünkü hiç nutmayan ve hiç hata yapmadan işlem yapan bir varlık insan olamaz.
O sebeple insan beynini güçlendirmenin insana benzeyen robot yapmaktan daha kolay olduğunu sanıyorum. Makineyi insana benzetmiyoruz çünkü. Kaldı ki makineler insan beynini taklit etmekte yetersiz kaldığı için transhumanistler insanlara üstün güç kazandırmaktan söz ediyorlar.
Her durumda transhumanist filozof ve dijital tasarımcı Natasha Vita-More Türkiye’ye geliyor ona soracağım bunu ve elbette senin sorunu. Cevabını buradan yazarım. 😀
😀
Merak ettiğim bir diğer önemli konu da insan beynini nasıl güçlendirebileceğimiz? Nano boyutlardaki milyonlarca robot ile beynimizi mi kuşatacağız? Bu çok zor olurdu ve istenilen performans alınamazdı diye düşünüyorum. Aslında en mantıklısı insan beyninde nöronların yaptığı işlevin aynısını yapan atomik boyutlarda bir cisimcik geliştirilir ve milyarlarca cisimcikten oluşan bir ordu beynimize salınır, yavaş yavaş bu cisimcikler(robotçuk) nöronları devre dışı bırakıp yerlerine kendilerini koyarlar, böylece kişinin yaşamsal faailetleri aksamadan, kişi ölmeden beyin mekanikleşmiş olurdu ve beynin yapısı da aynen korunmuş olurdu. Elbette bunu yaptıktan sonra geriye diğer organları mekanikleştirmek kalıyor. Bu da işin kolay kısmı?
Gelecek çok merak uyandrıcı, bu hızda gelişmeye devam edersek belki bizler bile bu konuştuğumuz teknolojileri görme fırsatını yakalayabiliriz :).
Benim fikrim bu söylediğine çok yakın ama daha da basit düşünüyorum. İnsan hücrelerinin genetiğini değiştirerek beynin işlem kapasitesini arttırabiliriz. Nihai tasarım oraya gidiyor gibi. Ancak hücrelerin genetiğini değiştirmek muhtemelen vücudun dengesini bozacak. O durumda gen mühendisliği yerine sentetik biyoloji uygulayabilir ve hücrelerin içinde sentetik organeller (küçük organlar) geliştirebiliriz. Nanitler (mikroskobik robotlar) asıl bunlar olabilir. Bunlar hem vücudun doğal denesini bozmaz hem de beyne ek özellikler kazandırır. Örneğin kusursuz hafızamız olmasa bile bir şeyi hatırlamak istediğimizde anıların kaliteli versiyonlarını depolamış olan bu organellere başvurabiliriz. Tıpkı kitaplıkta kitaba bakar gibi ama tüm kitapları ezberlemeden. Tek farkı kitaplığın beynimizin içinde olması ki bu nokta senin tasarımına çok yakın.
Evet anladım :). Bakalım gelecek bize neler gösterecek hep beraber göreceğiz…
Abi güzel bilgilar verdin yüreğine sağlık. Fakat biz daha i7 ye bile geçemedik. sağolsunlar son zamanlarda bir de “U” seri işlemciler var piyasanın çoğunda. Hal buyken i7 nin üstüne nasıl geçilir ayrı bir dert 🙂