İşlemci (CPU) Nedir?

Merkezi işlem birimi olarak adlandırılan ve terminolojik kısaltması CPU olan işlemciler, 1970’li yıllarda ilk defa hayatımıza girdiğinde binlerce transistöre ev sahipliği yaparken şimdi milyonlarca transistörün silikon bir çip üzerinde birleştirilmesi ile meydana gelmektedir.

İşlemci ya da merkezi işlem birimi (CPU – Central Processing Unit), bir bilgisayarın ya da dijital cihazın “beyni” olarak tanımlanabilir. Tüm hesaplama işlemlerini gerçekleştirir, verilen komutları işler ve sistemin genel performansını belirleyen en önemli bileşenlerden biridir. İşlemci, cihazdaki tüm görevlerin yürütülmesini sağladığı için bilgisayar, telefon, tablet gibi birçok elektronik cihazın çalışmasında hayati bir rol oynar.

Aritmetik ve mantıksal işlem yapma yeteneğine sahip olan işlemciler, kısaca bilgisayarların verileri işleyen ve yazılım komutlarını gerçekleştiren bölümü olarak ifade edilebilir.

İşlemcinin Çalışma Prensibi

Bir işlemci, aldığı komutları işlemek için oldukça karmaşık bir yapıya sahiptir. Temel olarak çalışma prensibi dört adımdan oluşur:

1. Komut Alma (Fetch): İşlemci, bellekteki komutu alır.
2. Komutu Çözümleme (Decode): Alınan komutu anlar ve ne yapılması gerektiğini belirler.
3. Komutu Çalıştırma (Execute): Belirlenen işlemi gerçekleştirir.
4. Sonuçları Saklama (Store): Elde edilen sonucu belleğe kaydeder.

Bu döngü, işlemci hızı ve mimarisine bağlı olarak saniyede milyarlarca kez tekrarlanabilir ve cihazın performansını belirler.

İşlemcinin Temel Bileşenleri

Bir CPU, farklı bileşenlerin bir araya gelmesiyle çalışır:

• ALU (Aritmetik ve Mantık Birimi): Aritmetik ve mantık işlemlerinin gerçekleştirildiği birimdir.
• Kontrol Birimi (CU): Komutların nasıl çalıştırılacağını belirler ve veri akışını düzenler.
• Kayıtçılar (Registers): Verilerin geçici olarak saklandığı küçük ve hızlı bellektir.
• Önbellek (Cache): Sık kullanılan verilere hızlı erişim sağlayarak işlemcinin performansını artırır.

İşlemci Çekirdekleri ve Çoklu Çekirdek Yapısı

Günümüzde işlemciler, tek çekirdekli yapıdan çok çekirdekli yapılara evrilmiştir. Çekirdek, işlemcinin bağımsız bir işlem yürütebilen her bir birimidir. Tek çekirdekli işlemciler, yalnızca bir işlemi aynı anda gerçekleştirebilirken, çok çekirdekli işlemciler aynı anda birden fazla işlemi yürütebilir. Bu sayede, cihaz aynı anda birden çok işlemi hızla tamamlayarak performansını artırır. Modern işlemcilerde genellikle 2, 4, 8 veya daha fazla çekirdek bulunur.

İşlemcinin Özellikleri: Hız ve Performans

İşlemcinin hızı ve performansını belirleyen temel faktörler şunlardır:

• Saat Hızı (Clock Speed): İşlemcinin saniyede gerçekleştirdiği komut sayısını ifade eder ve GHz (Gigahertz) ile ölçülür. Saat hızı ne kadar yüksekse, işlemci o kadar hızlıdır.
• Çekirdek Sayısı: Bir işlemcideki çekirdek sayısı arttıkça çoklu görev (multitasking) performansı da artar.
• Önbellek Kapasitesi: İşlemcinin veri erişim hızını artıran önbelleğin büyüklüğü, performansı doğrudan etkiler.

İşlemcinin Kullanım Alanları

İşlemciler, günümüzde geniş bir kullanım alanına sahiptir:

• Bilgisayarlar: Masaüstü ve dizüstü bilgisayarlar için güçlü işlemciler tercih edilir.
• Mobil Cihazlar: Telefon ve tabletlerde düşük güç tüketimi sağlayan işlemciler kullanılır.
• Gömülü Sistemler: Akıllı ev cihazları, endüstriyel otomasyon sistemleri gibi cihazlarda düşük güçlü işlemciler yer alır.

İşlemci ve Performansa Etkisi

İşlemci, cihazın performansını doğrudan etkiler. Hızlı bir işlemci, cihazın daha kısa sürede işlem yapmasını sağlar ve çoklu görevlerde başarılı olur. Oyun, grafik işleme, veri analizi gibi yüksek işlem gücü gerektiren uygulamalarda güçlü bir işlemciye sahip olmak önemlidir.

İlk mikroişlemci Intel 4004’ün 1970’te, geniş çaplı bir mikroişlemci olan Intel 8080’in ise 1974’te tanıtılmasının ardından günümüze kadar uzanan gelişim, MİB teriminin mikroişlemciler yerine kullanılmasına neden oldu.

Çalışma hızları kullanılan mimari ve üretim teknolojisine bağlı olarak değişkenlik gösteren işlemcilerin hız birimleri HZ, MHZ ve GHZ olarak ifade edilirken, gelişen teknoloji ile birlikte günümüzde genellikle hız birimi GHz olan işlemcileri görmekteyiz.

Bu alanda MİB’lerin tek kalıp üzerinde üretilmesinin sağladığı avantajlar, 10 MHz civarlarında olan saat hızlarının günümüzde GHz seviyelerine taşınmasına fayda sağladı.

CPU ‘ lar  ALU ( Arithmetic Logic Unit) ve CU (Control Unit) diye adlandırılan iki temel birimden oluşur.

ALU

• Tüm mantıksal ve aritmetik işlemleri gerçekleştirmekten sorumludur.
• Toplama, çıkarma, sayı, harf, özel karakterler arasında karşılaştırma, karşılaştırma işlemlerinde eşit olup olmadığını saptama , daha küçük veya daha büyük olduğunu saptama vs. gibi görevleri vardır.

CU ;

• Elektrik sinyalleri ile bilgisayar içindeki işlemlerin akışını düzenler.
• Komutları yorumlar ve yerine getirilmesini sağlar.
• Ana belleğe ikincil bellekte bulunan verilerin ve talimatların yüklemesine yardımcı olur.
• Komutun düzenli adımlarla ilerlemesini sağlar.
• Merkezi işlemcinin hafıza ve giriş çıkış birimleriyle olan iletişimi dış kontrol sinyalleriyle kontrol edilir.

CPU Çalışma Prensibi

Aritmetik ve mantıksal işlem yapma yeteneğine sahip olan işlemciler, makine dili olarak adlandırılan, 0 ve 1’lerden oluşan düşük seviyeli kodlama sistemi ile çalışmaktadır. Yani işlem yapmak için 2 lik sistemleri (10010011) kullanır. Ekrandaki görüntülerin oluşması için hafızadaki 2 lik değerleri birleştirerek işlem yapar. Komutların yerine getirilmesi için işlemciye gelen sinyalleri milyonlarca transistörlerden geçer ve 4 işlem gibi temel matematiksel işlemlere dönüştürür. Bu işlemler ALU da gerçekleştirilir. Çeşitli veriyolları ve kontrol bileşenleri işlemcinin içerisinde yer alıyor.

İşlemci (CPU) Nasıl Üretilir?

İşlemci üretim evreleri hakkında bilgi sahibi olmanız için, geçtiğimiz yıllarda Intel tarafından paylaşılan High-K işlemci üretim evrelerini sizler ile paylaşıyoruz;

Yer kabuğunda oksijenden sonra en çok bulunan element silikondur. Çok bulunması, elbette saf halde her yerde karşımıza çıkacağı anlamına gelmiyor. Kum tanelerinde silikon dioksit (SiO2) şeklinde bulunan silikonu öncelikle saf hale getirmek gerekiyor.

Bu işlem yapıldıktan sonra, silikon 100 kg ağırlığındaki külçeler haline getirilir. Bu külçeler 1 mm kalınlığında dilimler halinde kesilir. Bu dilimlere “wafer” ya da yonga plakası adı verilir. Bu plakaların iyice cilalanması gerekir.

Kesilen ve cilalanan plakalar ışığa dayanıklı bir katman ile kaplanır. Bu katmanın belirli bir deseni bulunur. Böylece plaka iyon bombardımanına tutulduğunda bu desene göre bir yapı ortaya çıkar.

Işığa duyarlı katman ile kaplanan plakalar daha sonra yüksek güçlü iyon ışınına maruz bırakılır. Bu işlem plakanın iletkenlik özelliklerini değiştirir. Işığa dayanıklı malzemenin desenine göre plakanın üzerindeki bazı bölgeler iletken, bazı yerler de yalıtkan olur. Bu işlemden sonra ışığa dayanıklı katman çıkarılır.

Bir sonraki aşamada ise mor ötesi ışıktan etkilenmeyen kısmı ve üretim mimarisinde yer verilen ve artık gerekli olmayan maddeleri çözen bir madde kullanılır.

Desen oluşturulduktan sonra transistörler aslen tamamlanmış olurlar. Ancak, plaka üzerindeki milyonlarca transistör arasında bir bağlantı henüz yoktur. Bunu oluşturmak için tüm plaka öncelikle bir yalıtım malzemesi ile kaplanır. Yalıtım malzemesinin üzerine üç adet delik açılır. Bundan sonra plaka bir bakır sülfat çözeltisine batırılır ve elektroliz yoluyla tüm plaka bakır kaplanır.

Bakır kaplama daha sonra yalıtım malzemesi tekrar ortaya çıkana kadar temizlenir. Böylece delinen ve daha sonra içi bakırla kaplanan üç delik ortaya çıkar. Bu bakır kısımlar, transistorler arasındaki bağlantıların birleşme noktalarını oluştururlar.

İşlemci üretiminin en karmaşık evresi!

Transistorler arasındaki bağlantıları oluşturmak, işlemci üretiminin en karmaşık ve önemli evresidir. Transistorler arasında çok karmaşık bağlantılar oluşturulur, bu bağlantılar işlemcinin performansını doğrudan etkiler.

Yeni nesil işlemcilerde bu bağlantıların bir transistör üzerinde 30 katmana kadar gittiği belirtiliyor. Eğer işlemcinin içini açıp mikroskopla bakarsanız düz bir yüzey yerine iç içe geçmiş yollar görebilirsiniz. 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 kullandığımız 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 etkiler.

Bu yüzden aynı plakadan çıkan her bir işlemcinin özellikleri aynı olmaz. İşlemciler frekansları ve diğer özellikleri belirlendikten sonra sınıflara (Core i7, Core i5 vs.) ayrılır.

Peki Hangi İşlemci?

Günümüz piyasasında sınırlı sayıda firma işlemci üretmektedir. Bu firmaların en popüleri olan Intel, ürettiği Pentium ve Celeron model işlemcilerle tüm dünyanın beğenisini kazanmıştır. Pentium model işlemciler Pentium 1, 2, 3 ve 4 ile isimlendirilen modellere sahiptir.
Intel’in güçlü bir rakibi olan AMD ise ürettiği Duron ve Athlon gibi işlemcilerle Intel’i bayağı zorlamıştır.
Piyasada başka marka ve model işlemciler de duyabilirsiniz. Örneğin Via firmasına ait Cyrix model işlemciler, çok ucuz olmalarına rağmen, pek fazla rağbet görmemiştir. Nedeni ise yavaş çalışma frekansları ve uyumsuzluk sorunlarıdır., Bunun dışında işlemci alırken uyum konusuna da çok dikkat etmelisiniz. Alacağınız işlemci ile anakart birbirine uyumlu olmayabilir.

Dünden Bugüne İşlemciler

8086/8088

Intel, 16 bitlik 8086 işlemcisini 1978 yılında piyasaya sürdü. Yüksek seviyeli programlama dillerine ve daha etkin işletim sistemlerine sahip ilk işlemci olan 8086, IBM uyumlu sistemlerin temelini oluşturdu. Arkasından çıkan 8088 işlemci ile IBM ilk kişisel bilgisayarı (PC) piyasaya sürdü. Bu ilk PC’nin 16K hafizası, grafik özelliği olmayan ekranı ve bir teyp bandı sürücüsü vardı.
Bu ilk işlemci dış veriyolu olarak 8 biti destekliyordu ve 4.77 MHz saat hızında çalışmaktaydı.

80286

Kısa bir süre sonra Intel, 80286 işlemcisini çıkartarak PC performansını yeni bir seviyeye yükseltti. 80286 işlemci 16 bit veriyolunu hem içte hem de dışta kullanabiliyordu. Bu da kendinden önceki işlemcilerden çok daha fazla ilgi görmesine sebep oldu ve artık PC’ler için daha güçlü yazılımlar üretilmeye başlandı.

80386

Intel’in bir kuşak sonraki işlemcisi olan 80386 işlemcisi PC dünyasına büyük değişiklikler getirdi. SX ve DX modelleri olan bu işlemcinin en büyük özelliği 32 bit bir işlemci olmasıydı. 286’lardaki veri yolunun iki katına çıkartılması PC’lerde grafik işlemlerini artırdı. Ayrıca saat hızının 16 MHz’den 33 ve 40 MHz’e çıkartılması işlemleri daha da hızlandırdı.

i486

Intel Nisan 1989 yılında i486 CPU ‘yupiyasaya sürdü. i486 işlemcisi entegre bir chiptir. Bu chip dört farklı işlev grubunu (asıl CPU’yu, bir matematik yardımcı işlemcisini, bir önbellek denetleyicisini ve DX/DX2 modellerinde bir adet genel önbellek, DX4 modellerinde ise iki adet ayrık 8K önbelleği) bir bileşende birleştirmektedir. i486 hem içten hem de dıştan 32-bit yapı kullanır. Saat hızı olarak da 100 MHz’e ulaşmıştır.

Pentium

i486 CPU ‘ların hızla yaygınlaştığı bir dönemde Intel P5 kod adıyla tasarladığı yeni işlemci ailesini Pentium adıyla piyasaya sürdü. Dış veriyolu 64-bit iç veriyolu ise 256-bit olan bu işlemci iki adet ayrık 8K’lık önbelleğe sahiptir. Pentium işlemci 486’lardan farklı olarak iki adet tamsayı işlemcisine sahiptir. Kayan nokta işlemcisi de iyice geliştirilmiştir. Ayrıca 486 işlemcilerde olmayan Branch Protection (dallanma tahmini) teknolojisi kullanılmıştır. Bu teknoloji, program sırasında işletilecek olan dallanma (jump) komutlarının dallanacağı tahmin edilen kod kümelerinin daha hızlı erişilen bir ortama kopyalayarak işlenmeye başlanmasına dayanır. Bu şekilde %25 oranında performans artışı sağlanır.
Pentium işlemciler 0.28 mikronluk BICMOS ve CMOS teknolojisi ile üretilmişlerdir. 60 MHz, 75 MHz, 90 MHz, 100 MHz, 120 MHz, 133 MHz, 166 MHz, 200 MHz ve 233 MHz saat hızında üretilmişlerdir.

Pentium Pro

Pentium CPU ‘ların yaklaşık iki katı işlemci gücüne sahip olan bu işlemcilerde 5.5 – 6.1 milyon arasında transistör kullanılmıştır. +2.9V besleme gerilimi ile çalışan bu işlemci 166 MHz, 200 MHz, 233 MHz ve 266 MHz saat hızlarında üretilmişlerdir. Bu işlemci daha çok server bilgisayarlar için tasarlanmıştır ve x86 tabanındaki işlemciler için yazılmış tüm yazılımları desteklemektedir. Pentium Pro öncelikle 32 bitlik programlara ihtiyaç duyar. Bu sebeple işlemcinin tam performansla çalışabilmesi için Windows NT gibi gerçek 32 bitlik işletim sistemi kullanılmalıdır.

64 Bit İşlemciler

64 bit işlemciler, daha fazla bellek kapasitesine ve daha yüksek işlem gücüne sahiptir. Bu mimari, teorik olarak 16 exabayt’a kadar (17 milyar GB) RAM desteği sağlar. 64 bit işlemciler, veri işleme ve çoklu görev performansını büyük ölçüde artırarak modern yazılım ve donanım ihtiyaçlarını karşılamaktadır.

• AMD64 (Athlon 64): 2003 yılında AMD, 64 bit tüketici işlemcilerini piyasaya sürdü. AMD64, hem 32 bit hem de 64 bit yazılımları çalıştırabiliyordu. Bu işlemciyle birlikte 64 bit teknolojisi, tüketici pazarında kullanılabilir hale geldi ve büyük bir devrim yarattı.
• Intel x86-64 (EM64T): AMD’nin 64 bit atağının ardından Intel, kendi 64 bit mimarisini tanıttı. EM64T olarak bilinen bu mimari, x86 ile uyumluydu ve hem 32 bit hem de 64 bit uygulamaları destekliyordu. Intel’in Core, i3, i5 ve i7 serileri de bu mimariye dayanıyordu.
• Intel Itanium: Intel’in 64 bit pazarına girişi 2001’de Itanium serisi ile oldu. Ancak Itanium, x86 uyumluluğundan yoksundu ve genellikle sunucularda ve büyük veri merkezlerinde kullanıldı.
• Modern 64 Bit İşlemciler (Core, Ryzen, Xeon): Günümüzde hem Intel’in hem de AMD’nin tüm modern işlemcileri 64 bit mimariyi kullanıyor. Intel’in Core serisi ve Xeon işlemcileri ile AMD’nin Ryzen ve EPYC serileri, 64 bit mimarinin sağladığı yüksek bellek erişimi ve çok çekirdekli yapı sayesinde hızla yayıldı. Bu işlemciler, oyun, grafik tasarım, yapay zeka, veri analizi ve daha birçok karmaşık işlemi yüksek verimlilikte çalıştırıyor.

64 bit işlemciler, günümüzde standart hale gelmiş durumda ve neredeyse tüm yeni işletim sistemleri 64 bit mimari üzerine kurulmuş durumda. Bu mimari, çoklu görevlerde ve büyük veri işleme gerektiren uygulamalarda sağladığı hız ve verimlilikle geleceğin bilgisayar sistemlerinin temelini oluşturuyor.