Yongalar Nedir? İşlemcilerin Geleceği İçin Taşıdığı Kritik Önemin Detayları!

Yongalar onlarca yıldır ortalıkta dolaşırken, kullanımları tarihsel olarak belirli, uzmanlaşmış uygulamalarla sınırlıydı. Ancak bugün, dünya çapında milyonlarca masaüstü bilgisayarı, iş istasyonunu, sunucuyu, oyun konsolunu, telefonu ve hatta giyilebilir cihazı çalıştırarak teknolojinin ön saflarında yer alıyorlar.

Birkaç yıl içinde, önde gelen çip üreticilerinin çoğu, inovasyonu yönlendirmek için çiplet teknolojisini benimsedi. Artık çipletlerin endüstri standardı haline gelmeye hazır olduğu açık. Onları bu kadar önemli kılan şeyin ne olduğunu ve teknolojinin geleceğini nasıl şekillendirdiklerini inceleyelim.

Özet: Chiplet’ler Nelerdir?

Chiplet’ler segmentli işlemcilerdir. Her parçayı tek bir çipte birleştirmek yerine (monolitik yaklaşım olarak bilinir), belirli bölümler ayrı çipler olarak üretilir. Bu ayrı çipler daha sonra karmaşık bir bağlantı sistemi kullanılarak tek bir pakette bir araya getirilir.

Bu düzenleme, en son üretim yöntemlerinden faydalanabilecek parçaların boyut olarak küçültülmesine olanak vererek, sürecin verimliliğini artırıyor ve daha fazla bileşene sığmalarına olanak sağlıyor.

Çipin önemli ölçüde küçültülemeyen veya küçültülmeye ihtiyaç duymayan parçaları daha eski ve daha ekonomik yöntemlerle üretilebiliyor.

Bu tür işlemcilerin üretim süreci karmaşık olsa da, genel maliyet genellikle daha düşüktür. Ayrıca, işlemci şirketlerine ürün yelpazelerini genişletmek için daha yönetilebilir bir yol sunar.

Silikon Bilimi

İşlemci üreticilerinin neden yongalara yöneldiğini tam olarak anlamak için öncelikle bu cihazların nasıl yapıldığını incelememiz gerekir . CPU’lar ve GPU’lar yaşamlarına ultra saf silikondan yapılmış büyük diskler olarak başlarlar, genellikle çapı 300 mm’nin biraz altında ve kalınlığı 1 mm’nin 0,04 inç’idir.

Bu silikon levha, farklı malzemelerden oluşan birden fazla katmanla sonuçlanan karmaşık bir adım dizisine tabi tutulur – yalıtkanlar, dielektrikler ve metaller. Bu katmanların desenleri, ultraviyole ışığın desenin büyütülmüş bir versiyonundan (bir maske) geçirildiği ve daha sonra mercekler aracılığıyla gerekli boyuta küçültüldüğü fotolitografi adı verilen bir işlemle oluşturulur .

Desen, belirli aralıklarla, yonga yüzeyi boyunca tekrarlanır ve bunların her biri sonunda bir işlemci haline gelir. Çipler dikdörtgen ve yongalar dairesel olduğundan, desenler diskin çevresini örtmelidir. Bu üst üste binen parçalar, işlevsel olmadıkları için sonunda atılır.

Tamamlandığında, yonga her çipe uygulanan bir prob kullanılarak test edilir. Elektriksel inceleme sonuçları, mühendislere işlemcinin kalitesi hakkında uzun bir kriter listesine göre bilgi verir. Çip bindirme olarak bilinen bu ilk aşama, işlemcinin “sınıfını” belirlemeye yardımcı olur.

Örneğin, çipin bir CPU olması amaçlanıyorsa, her parça doğru şekilde çalışmalı ve belirli bir voltajda belirli bir saat hızı aralığında çalışmalıdır. Daha sonra her bir wafer bölümü bu test sonuçlarına göre kategorize edilir.

Tamamlandığında, wafer kullanıma uygun olan ayrı parçalara veya “kalıplara” kesilir. Bu kalıplar daha sonra özel bir anakart gibi bir alt tabakaya monte edilir. İşlemci, dağıtıma hazır hale gelmeden önce daha fazla paketlemeden (örneğin, bir ısı yayıcı ile) geçer.

Tüm bu üretim süreci haftalar sürebiliyor ve TSMC ve Samsung gibi şirketler, kullanılan işlem düğümüne bağlı olarak her bir yonga için 3.000 ila 20.000 dolar arasında değişen yüksek ücretler talep ediyor.

“Proses düğümü” tüm üretim sistemini tanımlamak için kullanılan terimdir. Tarihsel olarak, transistörün kapı uzunluğuna göre isimlendirilmişlerdir. Ancak, üretim teknolojisi geliştikçe ve giderek daha küçük bileşenlere izin verdikçe, isimlendirme artık kalıbın herhangi bir fiziksel yönünü takip etmiyordu ve artık sadece bir pazarlama aracı.

Bununla birlikte, her yeni işlem düğümü selefine göre avantajlar getirir. Üretilmesi daha ucuz olabilir, aynı saat hızında daha az güç tüketebilir (veya tam tersi) veya daha yüksek bir yoğunluğa sahip olabilir. İkinci ölçüm, belirli bir kalıp alanına kaç bileşenin sığabileceğini ölçer. Aşağıdaki grafikte, bunun GPU’lar (bir PC’de bulabileceğiniz en büyük ve en karmaşık yongalar) için yıllar içinde nasıl geliştiğini görebilirsiniz…

İşlem düğümlerindeki iyileştirmeler, mühendislerin büyük ve maliyetli yongalar kullanmak zorunda kalmadan ürünlerinin yeteneklerini ve performansını artırmalarına olanak tanır. Ancak, yukarıdaki grafik hikayenin yalnızca bir kısmını anlatır, çünkü bir işlemcinin her yönü bu gelişmelerden faydalanamaz.

Yongaların içindeki devreler aşağıdaki geniş kategorilerden birine tahsis edilebilir:

• Mantık – veri, matematik ve karar vermeyi ele alır
• Bellek – genellikle mantık için verileri depolayan SRAM
• Analog – çip ile diğer cihazlar arasındaki sinyalleri yöneten devreler

Ne yazık ki, mantık devreleri proses düğüm teknolojisindeki her büyük adımla küçülmeye devam ederken, analog devreler neredeyse hiç değişmedi ve SRAM da bir sınıra ulaşmaya başlıyor.

Mantık hala zarın en büyük bölümünü oluştururken, günümüzün CPU’ları ve GPU’larındaki SRAM miktarı son yıllarda önemli ölçüde artmıştır. Örneğin, AMD’nin Radeon VII grafik kartında (2019) kullanılan Vega 20 çipi, toplamda 5 MB L1 ve L2 önbelleğe sahipti. Sadece iki GPU nesli sonra, Radeon RX 6000 serisini (2020) çalıştıran Navi 21 çipi, 130 MB’ın üzerinde birleşik önbelleğe sahipti – dikkate değer bir 25 kat artış.

Yeni nesil işlemciler geliştirildikçe bunların artmaya devam etmesini bekleyebiliriz, ancak bellek mantık kadar küçülmediğinden, tüm devreleri aynı işlem düğümünde üretmek giderek daha az maliyet etkin hale gelecektir.

İdeal bir dünyada, analog bölümlerin en büyük ve en ucuz düğümde, SRAM parçalarının çok daha küçük bir düğümde üretildiği ve mantığın mutlak son teknoloji için ayrıldığı bir kalıp tasarlanırdı. Ne yazık ki, bu pratik olarak başarılamaz. Ancak, alternatif bir yaklaşım mevcuttur.

Böl ve Yönet

Intel, 1995’te orijinal P5 işlemcisinin halefi olan Pentium II’yi tanıttı. O dönemde onu diğer işlemcilerden ayıran şey, plastik kalkanının altında saklı tasarımdı: iki çip barındıran bir devre kartı. Ana çip tüm işleme mantığını ve analog sistemleri içeriyordu, bir veya iki ayrı SRAM modülü ise Seviye 2 önbellek görevi görüyordu.

Intel birincil çipi üretirken, önbellek harici tedarikçilerden sağlanıyordu. Bu yaklaşım, yarı iletken üretimindeki gelişmeler mantık, bellek ve analog sistemlerin tek bir kalıba tamamen entegre edilmesine izin verene kadar 1990’ların ortalarından sonlarına doğru masaüstü bilgisayarlar için oldukça standart hale geldi.

Intel’in Pentium II’si – Ortada CPU, sağda önbellek yongaları. Kaynak: Wikimedia

Intel aynı pakette birden fazla çip ile uğraşmaya devam ederken, işlemciler için sözde monolitik yaklaşıma büyük ölçüde sadık kaldı – yani her şey için bir çip. Çoğu işlemci için, üretim teknikleri bunu basit tutmak için yeterince yetkin (ve uygun fiyatlı) olduğundan, birden fazla kalıba gerek yoktu.

Ancak, diğer şirketler, özellikle IBM, çoklu çip yaklaşımını takip etmekle daha çok ilgileniyordu. 2004’te, aynı gövdeye monte edilmiş dört işlemci ve dört önbellek modülünden oluşan POWER4 sunucu CPU’sunun 8 çipli bir versiyonunu satın almak mümkün oldu (çok çipli modül veya MCM yaklaşımı olarak bilinir).

Bu sıralarda, kısmen DARPA tarafından yapılan araştırma çalışmaları nedeniyle “heterojen entegrasyon” terimi ortaya çıkmaya başladı . Heterojen entegrasyon, bir işleme sisteminin çeşitli bölümlerini ayırmayı, bunları her biri için en uygun düğümlerde ayrı ayrı üretmeyi ve sonra bunları aynı pakette birleştirmeyi amaçlar.

Günümüzde bu, paket içinde sistem (SiP) olarak daha iyi bilinir ve akıllı saatleri başlangıcından itibaren çiplerle donatmanın standart yöntemi olmuştur. Örneğin, Seri 1 Apple Watch, tek bir yapı içinde bir CPU, biraz DRAM ve NAND Flash, birden fazla denetleyici ve diğer bileşenleri barındırır.

Apple’ın S1 SiP’inin röntgeni. Kaynak: iFixit

Benzer bir kurulum, farklı sistemlerin tek bir kalıpta olmasıyla elde edilebilir (SoC veya sistem-üzeri-çip olarak bilinir ). Ancak, bu yaklaşım farklı düğüm fiyatlarından yararlanmaya izin vermez ve her bileşen bu şekilde üretilemez.

Bir teknoloji satıcısı için, niş bir ürün için heterojen entegrasyon kullanmak bir şeydir, ancak portföyünün çoğunluğu için bunu kullanmak başka bir şeydir. AMD’nin işlemci yelpazesiyle yaptığı tam olarak budur. Yarı iletken devi, 2017’de tek kalıplı Ryzen masaüstü CPU’sunun lansmanı ile Zen mimarisini tanıttı . Sadece birkaç ay sonra AMD, iki çok çipli ürün serisini tanıttı: Threadripper ve EPYC, ikincisi dört kalıba kadar yapılandırmalar içeriyordu.

İki yıl sonra Zen 2’nin piyasaya sürülmesiyle AMD, HI, MCM, SiP’yi tamamen benimsedi – buna ne derseniz deyin. Analog sistemlerin çoğunu işlemciden çıkarıp ayrı bir kalıba yerleştirdiler. Bunlar daha basit, daha ucuz bir işlem düğümünde üretilirken, kalan mantık ve önbellek için daha gelişmiş bir düğüm kullanıldı.

Ve böylece yongalar tercih edilen moda sözcük haline geldi.

Daha Küçük Daha İyidir

AMD’nin tam olarak neden bu yolu seçtiğini anlamak için aşağıdaki görseli inceleyelim. Ryzen 5 serisinden iki eski CPU sergiliyor – soldaki Zen+ mimarisini kullanan 2600 ve sağdaki Zen 2 destekli 3600.

Her iki modeldeki ısı yayıcılar çıkarılmış ve fotoğraflar kızılötesi kamera kullanılarak çekilmiştir. 2600’ün tek kalıbı sekiz çekirdek barındırıyor, ancak bunlardan ikisi bu özel model için devre dışı bırakılmış.

Kaynak: Fritzchen Fritz

Bu durum 3600 için de geçerlidir, ancak burada pakette iki kalıp olduğunu görebiliriz: Üstte çekirdekleri ve önbelleği barındıran Çekirdek Kompleks Kalıbı (CCD), altta ise tüm denetleyicileri (bellek, PCI Express, USB, vb.) ve fiziksel arayüzleri içeren Giriş/Çıkış Kalıbı (IOD).

Her iki Ryzen CPU da aynı anakart soketine uyduğundan, iki görüntü esasen ölçeklendirilmiştir. Yüzeysel olarak, 3600’daki iki kalıbın, 2600’daki tek çipten daha büyük bir birleşik alana sahip olduğu düşünülebilir, ancak görünüşler yanıltıcı olabilir.

Çekirdekleri içeren yongaları doğrudan karşılaştırırsak, eski modelde analog devrelerin ne kadar yer kapladığı açıktır – hepsi altın renkli çekirdekleri ve önbelleği çevreleyen mavi-yeşil renklerdir. Ancak Zen 2 CCD’de çok az kalıp alanı analog sistemlere ayrılmıştır; neredeyse tamamen mantık ve SRAM’den oluşur.

Zen+ çipi 213 mm² alana sahip ve GlobalFoundries tarafından 12nm işlem düğümü kullanılarak üretildi. AMD, Zen 2 için 125 mm² IOD için GlobalFoundries’in hizmetlerini korudu ancak 73 mm² CCD için TSMC’nin üstün N7 düğümünü kullandı.

Zen+ (üstte) ve Zen 2 CCD (altta)

Yeni modeldeki yongaların birleşik alanı daha küçüktür ve ayrıca iki kat daha fazla L3 önbelleğe sahiptir, daha hızlı belleği ve PCI Express’i destekler. Ancak yonga yaklaşımının en iyi yanı, CCD’nin kompakt boyutunun AMD’nin pakete bir tane daha sığdırmasını mümkün kılmasıydı. Bu gelişme, masaüstü bilgisayarlar için 12 ve 16 çekirdekli modeller sunan Ryzen 9 serisinin doğmasına neden oldu .

Daha da iyisi, tek bir büyük yonga yerine iki küçük yonga kullanarak, her bir yonga potansiyel olarak daha fazla kalıp üretebilir. Zen 2 CCD durumunda, tek bir 12 inçlik (300 mm) yonga, Zen+ modeline göre %85’e kadar daha fazla kalıp üretebilir.

Bir yongadan alınan dilim ne kadar küçük olursa, üretim hataları bulma olasılığı o kadar azalır (çünkü bunlar disk üzerinde rastgele dağılma eğilimindedir), dolayısıyla tüm bunları hesaba kattığımızda, yongacık yaklaşımı AMD’ye yalnızca portföyünü genişletme olanağı sağlamakla kalmadı, bunu çok daha uygun maliyetli bir şekilde yaptı ; aynı CCD’ler birden fazla modelde kullanılabilir ve her yonga yüzlercesini üretir!

Ancak bu tasarım tercihi bu kadar avantajlıysa, Intel neden bunu yapmıyor? Neden GPU’lar gibi diğer işlemcilerde kullanıldığını görmüyoruz?

Liderliği Takip Etmek

İlk soruyu ele almak gerekirse, Intel de kademeli olarak yongacık teknolojisini benimsiyor. Yongacık kullanarak gönderdikleri ilk tüketici CPU mimarisi Meteor Lake olarak adlandırılıyor . Intel’in yaklaşımı biraz benzersiz olsa da, AMD’nin yaklaşımından nasıl farklı olduğunu inceleyelim.

Bu nesil işlemciler, yongacıklar yerine ” karo ” terimini kullanarak , daha önceki monolitik tasarımı dört ayrı yongaya böldüler:

• Hesaplama kutucuğu: Tüm çekirdekleri ve L2 önbelleğini içerir
• GFX döşemesi: Entegre GPU’yu barındırır
• SoC döşemesi: L3 önbelleğini, PCI Express’i ve diğer denetleyicileri içerir
• IO döşemesi: Bellek ve diğer aygıtlar için fiziksel arayüzleri barındırır

SoC ile diğer üç döşeme arasında yüksek hızlı, düşük gecikmeli bağlantılar bulunur ve hepsi ara parça olarak bilinen başka bir kalıba bağlıdır . Bu ara parça her çipe güç sağlar ve aralarındaki izleri içerir. Daha sonra ara parça ve dört döşeme tüm montajın paketlenmesine olanak sağlamak için ek bir karta monte edilir.

Intel’in aksine AMD herhangi bir özel montaj kalıbı kullanmaz ancak yongacık veri işlemlerini yönetmek için Infinity Fabric olarak bilinen kendi benzersiz bağlantı sistemine sahiptir . Güç iletimi oldukça standart bir paket üzerinden çalışır ve AMD ayrıca daha az yongacık kullanır. Peki Intel’in tasarımı neden böyledir?

AMD’nin yaklaşımındaki zorluklardan biri, ultra mobil, düşük güç tüketimine sahip sektör için pek uygun olmamasıdır. AMD’nin bu segment için hala monolitik CPU’lar kullanmasının nedeni budur. Intel’in tasarımı, belirli bir ihtiyaca uyması için farklı parçaları karıştırıp eşleştirmelerine olanak tanır. Örneğin, uygun fiyatlı dizüstü bilgisayarlar için bütçe modelleri her yerde çok daha küçük parçalar kullanabilirken, AMD’nin her amaç için yalnızca bir yonga boyutu vardır.

Intel sisteminin dezavantajı, üretiminin karmaşık ve pahalı olmasıdır (bu da farklı türden sorunlara yol açmıştır ). Ancak her iki CPU firması da yonga kavramına tamamen bağlıdır. Üretim zincirinin her parçası bunun etrafında tasarlandığında, maliyetler düşmelidir.

GPU’lara gelince, kalıbın geri kalanına kıyasla nispeten az analog devre içerirler. Ancak, içindeki SRAM miktarı istikrarlı bir şekilde artmaktadır. Bu eğilim, AMD’yi Radeon 7000 serisindeki yonga uzmanlığından yararlanmaya yöneltmiştir ve Radeon RX 7900 GPU’ları çoklu kalıp tasarımına sahiptir. Bu GPU’lar, çekirdekler ve L2 önbelleği için tek bir büyük kalıp ve her biri bir L3 önbelleği dilimi ve bir bellek denetleyicisi içeren beş veya altı küçük kalıp içerir.

Bu bileşenleri ana kalıptan çıkararak, mühendisler yonga boyutlarını yönetilebilir tutmak için en son, en pahalı işlem düğümlerine güvenmeden mantık miktarını önemli ölçüde artırabildiler. Bu yenilik muhtemelen genel maliyetleri düşürmeye yardımcı olsa da, AMD’nin grafik portföyünün genişliğini önemli ölçüde genişletmedi.

Şu anda, Nvidia ve Intel tüketici GPU’ları AMD’nin yonga yaklaşımını benimsemeye dair hiçbir işaret göstermiyor. Her iki şirket de tüm üretim görevleri için TSMC’ye güveniyor ve maliyeti tüketicilere yansıtarak aşırı büyük yongalar üretmekten memnun görünüyor.

Bununla birlikte, her ikisinin de GPU tasarımlarının bazılarında yonga tabanlı mimarileri aktif olarak araştırdığı ve uyguladığı bilinmektedir . Örneğin, Nvidia’nın Blackwell veri merkezi GPU’ları, saniyede 10 terabayt kapasiteli yüksek hızlı bir bağlantı yoluyla bağlanan iki büyük kalıbın yer aldığı bir yonga tasarımı kullanır ve etkili bir şekilde tek bir GPU gibi işlev görür.

Chiplet’lerle ‘Moore’ Elde Etmek

Bu değişiklikler ne zaman gerçekleşirse gerçekleşsin , temel gerçek, gerçekleşmeleri gerektiğidir . Yarı iletken üretimindeki muazzam teknolojik ilerlemelere rağmen, her bir bileşenin ne kadar küçültülebileceğine dair kesin bir sınır vardır.

Çip performansını artırmaya devam etmek için mühendislerin esasen iki yolu vardır: daha fazla mantık eklemek, bunu desteklemek için gerekli belleğe sahip olmak ve dahili saat hızlarını artırmak. İkincisine gelince, ortalama CPU bu açıdan yıllardır önemli ölçüde değişmedi. AMD’nin 2013’ten FX-9590 işlemcisi belirli iş yüklerinde 5 GHz’e ulaşabilirken, mevcut modellerindeki en yüksek saat hızı 5,7 GHz’dir ( Ryzen 9 9950X ile ).

Intel’in en yüksek saat hızına sahip tüketici CPU’su , iki çekirdekte 6,2 GHz’lik maksimum turbo frekansına sahip Core i9-14900KS’dir . Bu “özel sürüm” işlemci, masaüstü CPU’lar arasında kutudan çıktığı andan itibaren en hızlı saat hızı rekorunu elinde tutar.

Ancak, değişen şey devre ve SRAM miktarıdır. Yukarıda belirtilen AMD FX-9590’da 8 çekirdek (ve 8 iş parçacığı) ve 8 MB L3 önbellek bulunurken, 9950X’te 16 çekirdek, 32 iş parçacığı ve 64 MB L3 önbellek bulunur. Intel’in CPU’ları da çekirdek ve SRAM açısından benzer şekilde genişlemiştir.

Nvidia’nın ilk birleşik gölgelendirici GPU’su olan 2006’dan G80 , 484 mm2’lik bir alanda 681 milyon transistör, 128 çekirdek ve 96 kB L2 önbelleğinden oluşuyordu. 2022’ye doğru hızlıca ilerleyelim, AD102 piyasaya sürüldüğünde, artık 608 mm2 kalıp alanında 76,3 milyar transistör, 18.432 çekirdek ve 98.304 kB L2 önbelleği içeriyor.

1965’te Fairchild Semiconductor’un kurucu ortağı Gordon Moore, çip üretiminin ilk yıllarında, bir kalıbın içindeki bileşenlerin yoğunluğunun sabit bir minimum üretim maliyeti için her yıl iki katına çıktığını gözlemledi . Bu gözlem Moore Yasası olarak bilinmeye başlandı ve daha sonra üretim eğilimlerine göre “bir çipteki transistör sayısının her iki yılda bir iki katına çıktığı” şeklinde yorumlandı.

Moore Yasası, yarı iletken endüstrisinin ilerlemesinin yaklaşık altmış yıldır makul derecede doğru bir temsili olarak hizmet etti. Hem CPU’larda hem de GPU’larda mantık ve bellekteki muazzam kazanımlar, büyük ölçüde süreç düğümlerindeki sürekli iyileştirmeler tarafından yönlendirildi ve bileşenler zamanla giderek küçüldü. Ancak, bu eğilim, hangi yeni teknoloji ortaya çıkarsa çıksın, sonsuza kadar devam edemez .

AMD ve Intel gibi şirketler bu fiziksel sınırlara ulaşılmasını beklemek yerine yonga teknolojisini benimseyerek, giderek daha güçlü işlemcilerin yaratılmasını sürdürmek için bu modüler bileşenleri birleştirmenin yenilikçi yollarını araştırıyorlar.

Gelecekte on yıllar sonra, ortalama bir PC elinizin büyüklüğünde CPU ve GPU’lara ev sahipliği yapıyor olabilir. Ancak, ısı yayıcıyı çıkarın ve bir sürü minik çip bulacaksınız – üç veya dört değil, düzinelerce, hepsi ustaca döşenmiş ve bir araya getirilmiş. Yongacıkların hakimiyeti daha yeni başladı.