CPU, “Central Processor Unit” yani “Merkezî İşlem Birimi” anlamına gelen ve bilgisayarların beyni olarak bilinen bir donanım. Bu parça, verileri işleyerek komutları yürütür ve gerekli işlemleri uygular. Bu komutlar, yazılımdan gelir.
Örneğin işletim sistemi, CPU’yu ve diğer donanımları yöneten bir yazılım. İşletim sistemi sayesinde insanlar, bilgisayar parçalarından en iyi şekilde faydalanıyor. Uygulama, CPU’ya komut gönderiyor. Bu komut işlenerek bir çıktı sağlanıyor.
En popüler işlemci markaları arasında Intel, AMD, MediaTek ve Qualcomm gibi şirketler yer alıyor. Son yıllarda Apple da kendi işlemcisini üretmeye başladı. İşlemciler, genellikle TSMC tarafından üretiliyor. Firmalar, TSMC’ye sipariş veriyor. TSMC ise siparişe göre üretim yaparak bu siparişleri gerekli firmaya teslim ediyor.
Çalışma prensibi
CPU, aslına bakarsak temelinde elektrik akımını alarak hesap yapan bir bileşen. Yani işletim sisteminde yapılan her operasyon, elektriksel akımdan oluşuyor. Hatta ikili sayı sistemi de işlemcilerin kullandığı bir şey değil. İnsanların daha iyi anlaması adına bu sistemden bahsediliyor.
İkili sayı sistemine göre 1, elektrik var anlamına gelirken 0, elektrik yok demek. İşlemci transistörleri üzerinden elektrik akımı geçtiğinde 1 anlamına geliyor. Eğer elektrik akımı geçmiyor ise bu, 0 demek. Bu akım, günümüz işlemcilerinde çok düşük bir akım olmakta.
Örneğin işlemciden şöyle bir akım geçecek: “00011100”. Bu verinin onluk tabanda karşılığı 28 demek. Bu veri, yazılım tarafından işlemciye gönderilir. İşlemci, veriyi işler ve sonrasında çıktıyı yansıtır. Tabii normal şartlarda veriler bu kadar kısa olmaz. Birden fazla sayısal veri, işlemcide işlenir. Bu, milyarlar ile açıklanıyor. Milyarlarca veri 1 saniye içerisinde işleniyor.
Daha detaylı bir örneğe göre işlemcide bir uygulama açıldığını varsayalım. Kullanıcı, uygulamaya bastıktan sonra işletim sistemi, gerekli işlemleri uygular. Bunun için işlemciye bilgi gönderilir ve işlemciden bilgi alınır. Örneğin diskteki veriler çekilir ve uygulama açılırken RAM kullanılır. Aynı zamanda uygulamanın ekrana gelmesi için de işlemci ile iletişime geçilir. Sonrasında ekran kartına veri gönderilir.
Getirme (Fetch)
Getirme evresi, işlemcinin program belleğinden komutu alması aşamasıdır. Bu aşamada programın bulunduğu yere ulaşılır ve komut alınır. Programın yeri ise kayıt edilen sayısal değere göre bulunur.
Kod çözme (Decode)
Kod çözme kısmında bellekten getirilen komut çözülür. Bu aşama, işlemcinin ne yapacağının bulunduğu komutun yer aldığı evre. Komut, önem derecesine göre parçalara ayrılır. Ardından sayısal olarak yer alan veriler sıralanır. İşletim sistemleri, işlemci mimarisine göre komutlar oluşturur. Örneğin Intel ve AMD’nin komut set mimarisi farklıdır. Windows, bundan dolayı her 2 işlemciye göre özel komutlar yazar.
Yürütme (Execute)
İşlemcinin en önemli kısımlarından birisi de komutların çalıştırılması aşamasıdır. Yazılım tarafından gelen komutlar bu evrede yürütülür.
Geri yazma (Writeback)
Bu aşama ise kod çalıştırıldıktan sonraki etap olarak yer alıyor. Kod, yürütüldükten sonra sonuç, belleğe yazdırılır. Bu sayede yazılım, çıktı almış olur.
İşlemci, sayısal verileri nasıl anlıyor?
CPU, sayısal verileri anlamaz. Elektriksel verilere göre çalışır. İnsanların anlaması için sayısal veriler kullanılır. Burada devreye işletim sistemi giriyor. İşletim sisteminin veriyi nasıl yorumladığı önemli bir kriter. Günümüzde bazı standart özellikler kullanılıyor. Örneğin karakter setlerinin sayısal kodları bulunuyor. Her harfin ve sayının sayısal kodları sayesinde bu kodlar, anlaşılır bir hale dönüşür.
“A” harfinin nasıl oluştuğundan örnek verelim. ASCII, standart bir bilgi kodlama sistemi. Amacı, donanım ve yazılımların birbirleriyle uyumlu olmasını sağlamak. ASCII tablosunda “A” harfinin sayısal değeri 65. İşlemci, bu değeri ikilik tabanda işliyor. Yani “01000001” olarak elektriksel bir şekilde algılıyor. Yani klavyede “A” tuşuna basıldığında kodlar arasında bu değer de yer alıyor. Aynı zamanda ekrana yazı gelirken de bu durum geçerli.
Sonuç olarak işlemci, dünya standartlarına göre sayısal verileri anlıyor. Daha doğrusu burada önemli olan kısım işletim sisteminin bunu nasıl yorumladığı. İşletim sisteminin kullandığı bilgi kodlama sistemine göre ekrana görüntü gelir. ASCII dışında farklı bilgi kodlama standartları da mevcut.
Temel özellikler
CPU, sunduğu özellikler ile öne çıkan bir bileşen. Bu bileşen, pek çok temel özelliğe sahip. Bunlar arasında hız, çekirdek ve transistör gibi özellikler yer alıyor.
Alınan komutları işleme
CPU’nun temel amacı, yazılımdan gelen komutları işlemek. Anakartın beyni olarak nitelendirilen bu bileşen, yönetimde söz sahibi. Çünkü işlemciye gelen komutlar işlenerek gerektiğinde diğer donanımlara da gönderiliyor. Ayrıca işlemci, diğer donanımlardan da bilgi alarak çalışıyor. Kısacası CPU, anakarta bağlı donanımları da yönetiyor.
Saat hızı
Frekans hızı olarak da bilinen saat hızı, işlemcilerin en önemli kriterleri arasında. Saat hızı, bir işlemcinin kısa sürede ne kadar işlem yapabildiğini gösteriyor. Saat hızı yükseldikçe işlemin yapılma hızı da artıyor.
Örneğin bir uygulama, 200 MHz hız istiyor ise ve çekirdek, 100 MHz ise bu işlem 2 saniyede yapılır. Eğer çekirdek hızı 200 MHz olursa işlem, 1 saniyede tamamlanır. Özet olarak saat hızı, uygulamaların daha hızlı çalışmasını sağlar.
Çekirdek ve iş parçacığı
Çekirdek, işlemcinin içerisinde yer alan bir parça. İşlemler, bu parça içerisinde yapılır. Gelen komutlar burada işlenerek hareket eder. Her çekirdek aynı anda bir işlemi gerçekleştirir. Tabii bu hyper threading özelliği olmayan işlemciler için geçerli. Bir işlemcide 4 çekirdek var ise aynı anda 4 işlem gerçekleşir. 8 çekirdek olduğu takdirde 8 işlem gerçekleşmiş olur.
Hyper threading teknolojisine sahip CPU’lar, iş parçacığına yer verir. Bu özellik ile birlikte tek çekirdekte 2 iş parçacığı olur. 2 iş parçacığı, çekirdeğin aynı anda 2 iş yapmasını sağlar. Bu da performansın artması anlamına geliyor. Düşük hız kullanan birden fazla uygulama çalıştırıldığında performans farkı daha net görünür.
Transistör
Bir diğer önemli parça olan transistörler, adeta işlemcinin gözbebeği konumunda. Bu parça, günümüz işlemci modellerinde milyarlarca bulunuyor. Her geçen yeni modellerde ise boyutları gittikçe küçülüyor. 5 nm, şu anda standart olarak kabul edilmekte. Bununla birlikte 3 nm ve 2 nm işlemci teknolojileri üzerinde duruluyor.
Transistörler, yarı iletken birimler. Bu birimler, elektrik akımlarını ileterek operasyonların yürütülmesini sağlıyor. Transistör boyutlarının küçülmesinin avantajlarından birisi ısı üretiminin azalması. Bununla beraber enerji tüketimi de düşmüş oluyor. Buna ek olarak işlemciye daha fazla transistör eklenebiliyor. Bu da daha yüksek performans anlamına geliyor.
Önbellek
CPU’ların önemli özelliklerinden birisi de önbellek. CPU’da yer alan önbellekler, RAM’den bile daha hızlı donanımlardır. Bundan dolayı RAM’lere göre birim başına daha yüksek fiyata sahip olur. Önbelleğin amacı, verilere ulaşma süresini azaltmak. Sık kullanılan veya en son veriler önbellekte tutulur. Bu sayede bazı hizmetler daha hızlı çalışmış olur.
Tarihi
Günümüz CPU’lar, 1970’li yıllar itibariyle ortaya çıktı. 20. yüzyılın başlarında bilgisayarlarda henüz CPU yoktu. Bunun yerine vakum tüpleri kullanılıyordu. Vakum tüpleri, bir ampulden bile daha büyüktü. Işık yandığında 1, yanmadığında 0 anlamına geliyordu. İlk bug ise bir böcek sebebiyle ortaya çıkmıştı. Bir böceğin ampullerden birinin içine girip yazılımı etkilemesi ile bug kavramı kullanılmaya başlandı.
Yıllar ilerledikçe bilgisayar teknolojisinde de gelişmeler yaşandı. Artık vakum tüpleri yerine transistörler kullanılıyordu. TRADIC, ilk transistörlü bilgisayar olarak biliniyor. Tabii o dönemdeki transistörler oldukça büyüktü ve gözle görülüyordu. Zamanla küçülen transistörler, bilgisayarların hızını da yükseltmiş oldu.
1970’li yıllara gelindiğinde ise günümüz modern CPU’larının ilk adımı atıldı. Intel 4004, çıkan ilk mikroişlemci oldu. Günümüze kadar gelişen işlemciler, hem hız hem de teknoloji bakımından ilerleme kaydetti.
Merkezî işlem biriminin türleri
İşlemciler hakkında bilinmesi gereken bir diğer şey türleri olmakta. Pek çok işlemci türü yer alıyor. Bunlar masaüstü, mobil ve açık kaynaklı gibi çeşitli işlemciler. Hemen ilkini açıklamakla başlayalım.
Masaüstü işlemciler
Masaüstü işlemciler, masaüstü bilgisayarlarda kullanılan CPU’lardır. Bu CPU modelleri, anakart üzerindeki sokete yerleştirilir. Her CPU, modeline göre farklı bir soket yapısına sahip olur. Masaüstü işlemcisi olduğu için bu tür donanımlar, boyut olarak daha büyük üretiliyor.
Günümüzün en büyük masaüstü işlemci üreticisi Intel ve AMD. Intel ve AMD şirketi, 70’li yıllardan sonra öne çıkmaya başladı. Örnek olarak Intel Core i9 işlemcisini paylaşabiliriz.
Profesyonel işlemciler
Profesyonel olarak nitelendirilen işlemciler, ev kullanıcılarını kapsıyor. Normal işlemcilere göre farkı ise daha profesyonel tüketicilere yönelik geliştirilmesi. Örneğin müzikle uğraşanlar veya animasyon yapanlar için bu tür işlemciler üretilir. Intel Core X serisi işlemciler, profesyonel olarak yer alıyor.
Mobil işlemciler
Akıllı telefon ve tablet gibi ürünler için mobil işlemciler kullanılıyor. Qualcomm ve MediaTek, mobil işlemci üreten kurumlar arasında yer alıyor. Qualcomm Snapdragon 8 Gen 2 işlemcisi, bir mobil işlemci.
Kurumsal kullanıma uygun işlemciler
Kurumsal alana özel işlemciler de geliştiriliyor. Bu işlemciler, daha yüksek performans sunmak için yer almakta. Bu tür donanımlar, özellikle yüksek çekirdek sayısı ile dikkat çeker. Örneğin AMD EPYC serisi, sunucu tabanlı sistemler için geliştirildi. AMD Threadripper PRO ise iş istasyonlarına özel bir seri.
Açık kaynaklı işlemciler
CPU’lar, açık kaynaklı olarak da bizlerle buluşuyor. Açık kaynaklı donanımlar, özgürce geliştirilen yani telif hakkı içermeyen donanımlardır. Örneğin OpenRISC, açık kaynaklı bir CPU. Geliştiriciler, kendi makinelerini geliştirirken bu donanımı özgürce kullanabiliyor.
İşlemci nasıl üretilir?
Genellikle firmalar, kendi işlemcilerini TSMC ile birlikte üretir. TSMC, işlemci tedarik şirketi. Intel, AMD ve Apple gibi birçok firma, TSMC’ye sipariş verir. Kurum, bu siparişleri sıraya alarak üretim gerçekleştirir.
İşlemci üretimini en anlaşılır şekilde açıklamak gerekiyor. Öncelikle planlama ve tasarım aşaması yapılır. Bu aşamada CPU’nun hangi özelliklere sahip olacağı belirlenir. Ayrıca işlemcinin nasıl bir soket yapısında çalışacağı da tartışır. Sonraki aşamada gerekli malzemelerin üretimi tamamlanır. Ardından üretilen bileşenler montajlanır ve CPU ortaya çıkar.
CPU, üretildikten sonra test aşamasına girer. Testler başarılı olduktan sonra paketleme etabı başlar. Paketleme aşamasından sonra ise işlemciler, satışa sunularak yeni müşterilerine ulaşır.
Sanal işlemci nedir?
Sanallaştırma teknolojisi, donanımların pay edilerek yeni bir işletim sistemi oluşturulmasına deniyor. Yani bir nevi işletim sistemi içerisinde işletim sistemi kuruluyor. Bunun için donanımların belirli bir kaynağı ayrılıyor. Sanallaştırmanın önemli yanlarından birisi sanal işlemciler. Sanal işlemci, sanal makinelerde karşımıza çıkan bir terim. Özellikle bulut bilişimde sıkça karşılaşılıyor.
Sanal işlemci veya vCPU, sanal makinelerde kullanılan işlemcilerdir. Örneğin 4 çekirdekli ve 8 iş parçacıklı bir makine yer alsın. Bu makineye 2’şer çekirdek verilsin. Bu doğrultuda 4 makine kurulur. Her sanal makinede 4 sanal çekirdek yer alır.
İşlemci teknolojileri
Her işlemcinin kendine özgü teknolojileri bulunur. Günümüzde en popüler işlemci markalarının teknolojilerini ele alarak ilerleyeceğiz.
Intel
Intel, sunduğu teknolojilerle kullanıcıların en iyi hizmeti almasına olanak tanıyor. Bu teknolojilerden birisi Intel® Thermal Velocity Boost olarak yer alıyor. Teknolojinin amacı, işlemci çekirdek hızlarını otomatik bir şekilde yükseltmek. Yani sistem, otomatik olarak hız aşırtma uyguluyor. Sıcaklık değerlerine bağlı olarak bu artış sağlanıyor.
Intel® Gaussian & Neural Accelerator teknolojisi, ses yapay zekası için geliştirilen bir özellik. Bu özellik ile birlikte CPU’nun üzerine binen yükün azaltılması hedefleniyor. Bunun yanı sıra Intel® Boot Guard teknolojisi de güvenlik amaçlı bir sistem. Amacı, işletim sistemi önyüklemesi öncesindeki aşamayı kötü amaçlı yazılımlardan korumak.
Intel’in daha birçok teknolojisi yer alıyor. Bunlar arasında şunlar bulunmakta:
- Intel® Thread Director
- Intel® Speed Shift
- Intel® Turbo Boost Max
- Gelişmiş Intel SpeedStep®
- Intel® Volume Management Device
- Intel® OS Guard
- Intel® Standard Manageability
AMD
AMD, etkili birçok teknolojisi ile öne çıkıyor. Bunlardan birisi AMD FidelityFX™ Super Resolution olmakta. Bu teknoloji, oyunun ekran çözünürlüğünü belirli çözünürlükten daha yüksek seviyeye çıkarıyor. Standart çözünürlüğün üzerine çıkan çözünürlükte bozulma olmuyor.
AMD, Windows® 11 Gaming isminde bir teknolojiye de yer veriyor. Bu teknolojinin amacı, Windows 11 oyun deneyimini iyileştirmek. AMD 3D V-Cache™ teknolojisi ise sistemlerin performansını arttırmayı hedefleyen bir özellik. Bu teknolojide 3 dikey katmanlı önbellek bulunuyor.
Bunların yanı sıra AMD’de bulunan bazı diğer teknolojiler:
- AMD FidelityFX™
- AMD Privacy View
- AMD Infinity Guard
- AMD Infinity Hub
- AMD Link
- AMD “Zen 3” Core Architecture
- AMD RDNA™ 2 Architecture
Qualcomm
Qualcomm, birçok teknolojiyle öne çıkan işlemcilere ev sahipliği yapıyor. Marka, mobil işlemcilerle kendi adından bahsetmekte. Güncel işlemciler, pek çok teknolojiye sahip. Bunlardan birisi 5G teknolojisi. 5G’nin kullanılabilmesi için işlemcinin desteklemesi gerekiyor. 5G, daha yüksek hızlar vaat eden ve yüksek kapasitelere yer veren bir bağlantı.
Qualcomm’un yeni işlemcilerinin sunduğu bir diğer olanak yapay zeka desteği. Şirket, yapay zeka desteği sayesinde birçok alanda daha iyi hizmetler sunuyor. Örneğin kamera ile çekim yaparken bu özelliklerden yararlanılmakta. Bu gibi daha birçok alanda yapay zekaya ağırlık veriliyor.
CPU’nun teknolojileri arasında güçlü kamera özellikleri de bizlerle buluşmakta. İşlemcinin maksimum desteklediği kamera özelliklerine göre telefonlar üretiliyor. Örneğin işlemci, 200 MP kamera destekliyor ise telefon, bunun üzerine çıkamaz. Qualcomm’un bu gibi daha birçok teknolojisi yer alıyor.
MediaTek
MediaTek, Qualcomm’un en büyük rakiplerinden birisi. Dimensity serisi ile tanınıyor. Kendi işlemcilerinde birçok teknolojiye yer veriyor. Bunlar arasında Wi-Fi 7, dikkat çekmekte. Henüz Wi-Fi 6 yaygınlaşmamışken MediaTek, Wi-Fi 7 desteği vermeye başlıyor. MediaTek ile Qualcomm’un teknolojileri genel olarak birbirine benzemekte. Aradaki fark bazı küçük değişiklikler. Her 2 marka, mobil dünyanın ezeli rakiplerinden.
CPU ile GPU arasındaki farklar
Merkezî işlem birimi ile grafik işlem birimi arasında bazı farklar bulunuyor. Her işlemcinin kendine özgü yetenekleri var. CPU, mantıksal alanlara yoğunlaşırken GPU, grafik işlemlerine ağırlık verir.
- CPU, donanımları yönetme özelliğine sahip bir bileşen. GPU ise ekranları yönetmekle beraber bazı grafiksel işlemleri de halleder.
- Yapay zeka genellikle CPU tarafından işlenir. Bazı GPU modelleri de yapay zekayı işleme gücüne sahip.
- Grafikler, GPU üzerinden işlenir.
- Ekrana görüntü gelmesini sağlayan donanım ekran kartıdır. CPU’da işlenen veriler GPU’ya gönderilir. Bu sayede görüntü elde edilir.
- CPU tek çekirdek veya iş parçacığında aynı anda tek işlem yapar. GPU ise paralel bir şekilde çalışır.
- Hız bakımından madencilikte ve bazı uygulamalarda GPU tercih edilir.
Kaynakça
