İşlemcilerin (CPU) çekirdek sayısı sürekli artarken saat frekansları (MHz) son 5 yıldır neden herhangi bir artış göstermedi?
Güç Tüketimi
Bir işlemcinin mimarisi tasarlanırken hedeflenen en önemli şey işlemcinin mümkün olduğunca yüksek performans vermesini sağlamaktır. Pentium 4 zamanında Intel saat frekanslarını mümkün olduğunca artırarak dar bir veriyolu kullamayı seçti. Bu yaklaşımın birçok avantajı mevcut. Bunlardan bir tanesi tak katmanlı seri kodları hızlandırmanın kolay olması. Yani yazılımsal tarafta işlemleri çoklu çekirdeğe uygun hale getirmek için fazla bir şey yapılmasına gerek kalmıyor ve bütün yazılımlar yüksek frekanslı tek çekirdeğin performansından yararlanabiliyor.
Tabi bu yaklaşımın dezavantajları da yok değil. Pentium 4’ün kendi sorunları bir kenara bırakıp bu tarz bir konsept kullanmanın yanlışlıklarından bahsedelim. En büyük sorunlardan bir tanesi işlemcilerin bir güç duvarına çarpması ve yüksek frekanslı mikroçip mimarisinin düşük güç tüketimini hedef alan tasarımlara uygun olmaması. Yani frekansları yüksek tutmak, işlemcilerin güç tüketimini düşürmeye yönelik yeni teknolojiler ile tamamen zıt bir yaklaşım. Şimdi iki önemli düşük güç tüketen tasarıma değineceğiz.
Bunlardan bir tanesi clock-gating adı verilen ve işlemcinin yapacağı her işlemden önce saat frekansının devreye sokulmasını sağlayan bir sistem. Clock-gating sayesinde eğer herhangi bir veri yazılmayacaksa register veya latch gibi elementler devreye sokulmuyor. Yani işlemcinin kapıları kapalı bırakılıyor diyebiliriz. Bu işlem sayesinde transistörlere elektrik yükleme ve boşaltmanın büyük oranda önüne geçiliyor. Fakat bu işlem -kapıların kapatılması- aynı zamanda fazladan gecikmeye de neden oluyor. Yüksek frekanslı tasarımlar ise çok düşük bir marjla çalıştığı için bu tür fazladan gecikmeler için uygun değiller.
Bir başka sık kullanılan teknik ise power-gating adını taşıyor. Burada da yonganın belirli bölgelerine -genelde farklı işlevsel bloklara-, voltaj kaynaklarının önüne büyük, kaba transistörler konuluyor ve gerekmediğinde bu bölümlerin elektriği kesiliyor. Fakat yüksek frekanslı sistemler bu teknolojiyi de pek sıcak karşılamıyor. Güç kapısı görevi gören transistörler voltaj düşüşüne neden olmakla kalmıyor, aynı zamanda transistörlerin devreye girme hızını da düşürüyor. Fakat çok dar bir veri yoluna sahip işlemcide istenildiğinde gücü kesilecek çok da fazla farklı bölüm yer almıyor.
İşte bu yüzden mikroçip mimarisi yönünden baktığımızda yüksek frekanslı, dar veriyoluna sahip tasarımlar güç tüketimi açısından pek mantıklı değil.
Transistör Ölçeklendirme
İşlemci frekanslarının artmamasının önündeki bir başka büyük neden de transistörlerin çok da fazla hızlanmamış olmaları. Öte yandan transistörlerin boyutları kararlı bir şekilde küçülmeye devam ediyor ve Moore kanunu da burada gayet düzel işlemeye devam ediyor.
Intel şu anda 22nm HKMG ile üretim yapıyor ve 32nm’yi terk etmiş durumda. Bundan iki yıl önce bu değer 45nm idi ve ondan da önce 65nm. TSMC, IBM ve GlobalFoundries 28nm yongalar üretmeye başladı ve Intel de 14nm’ye geçiş çalışmalarını başlattı bile.
Öte yandan transistörler küçülmeye devam ederken hızlanmıyorlar. Bunun anlamak için ise MOSFET’lerin geçmişine bakmamızda fayda var:
http://tr.wikipedia.org/wiki/MOSFET
Görüldüğü üzere bir transistörün anahtarlama hızı birçok etkene bağlı. Bunlardan ilki oluşturulan elektriksel alanın gücü ve anahtarın kontrolünü sağlayan kapı. Elektriksel alanın gücü, kapının hem çevresi hem de kalınlığı ile yakından alakalı. Transistörler küçüldükçe kapının çevresi de küçülmektedir. Geçmişte küçülen kapı alanı, kapının da daha ince yapılabileceği anlamına geliyordu. Bir kondansatörün (kapasitör) temelde çalışma prensibine göre iki iletken plaka arasındaki ayrım ne kadar ince ise aralarındaki elektriksel alan da o kadar güçlü olur. İşte MOSFET’lerdeki prensip de bununla aynıdır. Daha ince bir yalıtkan kapı, transistör kanalı boyunca daha güçlü bir elektriksel alana yol açar ve bu da transistörün daha hızlı anahtarlaması sağlar. Transistör kapı bölgesindeki küçülme, yük kapasitesini artırmadan kapının daha da ince yapılabileceği anlamına gelir. Yük kapasitesi ise elektriksel alanı oluşturan kontrol devresini şarj etmek için gereken enerjidir.
Fakat 45nm ile birlikte yalıtkan kapı 0.9nm kalınlığa ulaştı –tek bir silikon-dioksit molekülünün boyutuna. Çok basit bir şekilde bunu artık daha ince yapmak imkansız. High-k ile birlikte Intel yalıtkan kapının yapım malzemesini silikon-dioksit’ten hafniyum tabanlı materyale çevirdi (tahminlere göre hafniyum silikat). Bununla birlikte kapının bağlantı materyalini de polislikon’dan metale çevirdiler.
Her ne kadar bu işlem transistör hızını artırsa da pahalı ve daha çok yamalama türünde bir çözüm. Sorun basit haliyle şu ki, eskiden transistör boyutu her küçüldüğünde bu aynı zamanda daha hızlı transistör anlamına geliyordu, artık öyle değil.
Yonga ölçeklendirmesi
İşlemci frekanslarının uzun yıllardır sabit kalmasındaki bir başka önemli etken de transistörlerin artık işlemci performansındaki tek –hatta bazı durumlarda en büyük- rolü üstlenmiyor olması. Transistörleri birbirine bağlayan kablolar günümüzde artık en büyük gecikme etkeni olmuş durumda.
Transistörler küçüldükçe, onları birbirine bağlayan kablolar da inceldi. İnce kablolar, daha yüksek direnç ve daha düşük akım anlamına geliyor. Bununla birlikte küçülen transistörlerin daha düşük akım taşıyabildiğini de hesaba kattığımızda devre yolunun ileride transistörlerin anahtarlama performansındaki en önemli etken olacağını söylemek mümkün.
Yonga tasarlarken bu sorunun üstesinden gelmek için başvurulacak birçok hile mevcut. İyi bir yerleştir-ve-yönlendir mühendisi, saat ve veri sinyalini benzer yol üzerinden yönlendirerek her iki sinyalin birlikte gitmesini sağlayacak ve böylece hedeflerine aynı anda ulaşmalarını mümkün kılacaktır. Video codec motoru veya ağ işlemcisi gibi sabit işlevi olan, veri ağırlıklı, hafif kontrollü tasarımlarda bu yöntem gayet etkili olabilir.
Fakat mikroişlemci çok karmaşık bir tasarımdır ve içerisindeki düzensiz etkileşimli ağda veriler birden çok bölgeye seyahat ederken her zaman saat frekansını takip etmezler. Geri dönüş yolları ve döngüler mevcuttur. Zarar izleme, sıraya koyma, register dosyaları ve yol hesaplama gibi merkzi kaynaklar vardır. Tüm bu ağır kontrollü tasarımlar kolayca diğer çekirdeklere kopyalanabilir fakat gerekli olan ince kablolardan dolayı işlem karmaşık bir hal almakta ve standart yolla işlemci frekansını artırmanın önüne geçmektedir.
Kaynak: Why haven’t CPU clock speeds increased in the last 5 years?
