Türkiye İşlemcisini Tasarlıyor : Her Boyayı Boyadık Bir Fıstık Yeşili Kaldı!

Bu başlığı bilişim iletişimcisi ve akademisyen Hakkı Öcal, 2008’de Tübider Bilişim Sektörü Derneği ve Çizgi TAGEM’in birlikte düzenlediği “Türkiye İşlemcisini Tasarlıyor” yarışmasına eleştiri olsun diye belirlemişti. Hakkı hocamızın konuyu bilip-bilmeden ettiği bu ağır bir cümleden sonra pişman olup olmadığını gerçekten merak ediyorum. Tahmin ederim bugün chip ve işlemci tasarımı alanında Türkiye’deki mühendislerin geldiği noktayı gördüğünde bir özür düşünmüştür.

Türkiye’de chip tasarımı ve/veya işlemci tasarımı yapılabilir mi? Hangi aşamadayız bunları açığa kavuşturmadan önce şu “fıstık yeşilini” biraz açalım.

Bir bilgisayar işlemcisi (veya CPU – Central Processing Unit), bir bilgisayarın ya da herhangi bir dijital sistemin merkezi hesaplama ve kontrol birimidir. Genellikle tek bir chip (yonga) olarak üretilen işlemcinin temel görevi, sistemin çalışmasını sağlayan komutları (op-code) çözmek ve yürütmektir. Bu komutlar, öncelikle kullanıcı seviyesinde belirlenerek, daha sonra da işlemcinin makine dilinde anlayacağı yazılımlar tarafından işlemciye gönderilir ve işlemci, bunları adım adım çözer ve yerine getirir.

“İşlemci” dendiğinde bahsi geçen bir genel amaçlı sistemlerde kullanılan ve yüksek performanslı hesaplamalar için optimize edilmiş bir masaüstü (Intel, AMD..vs) merkezi işlem birimi de olabilir veya bir dijital sistemin merkezi hesaplama ve kontrol birimi olan bir mikro denetleyici de. Tam bu noktada 2008’de düzenlediğimiz yarışmayı duyuran bir günlük gazetenin provokatif haber başlığını hatırladım. “İntel ve AMD’yi Türkiye’den kovuyoruz!”

İşlemcileri çok teknik olmadan özetlersek, aynı anda kaç işin yapılabileceğini belirleyen işlemcideki çekirdek sayısı, işlemcinin bir saniyede yapabileceği işlem sayısını gösteren saat hızı, işlemcinin tasarımı ve yapısını belirleyen mimarisi gibi etkenler performansı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Günümüz çipleri, nanometre ölçeğinde üretilmektedir. Bu, transistörlerin küçültülmesi ve çipin daha fazla transistör içermesi anlamına gelir. nm (nanometre), transistörlerin fiziksel boyutunu ifade eder ve daha küçük nanometre, daha fazla transistör kapasitesi demektir. Bugün 5nm chipler ve geleneksel düz transistörlerin yerini almış olan FinFET teknolojisi, üç boyutlu yapı sayesinde daha iyi performans ve daha düşük güç tüketimi sağlar.

Çip tasarımları genellikle Verilog veya VHDL gibi donanım tanımlama dilleri ile yazılır. Bu diller, çipin işlevini, bağlantılarını ve lojik yapılarını tanımlamak için kullanılır. Daha sonra mantık tasarımı, simülasyon, fiziksel tasarım ve yerleşim (Layout) ve Routing süreçleri ile devam eder. Bu süreçlerin tamamı basit bir mikrodenetleyicide de karmaşık bir işlemci tasarımında da benzerdir. Çip tasarımı ve üretim teknolojisi, çok karmaşık ve yüksek teknoloji gerektiren bir süreçtir. Yarı iletken malzemelerin işlenmesinden fotolitografiye, mantık tasarımından fiziksel üretime kadar birçok aşama içeren bu süreç, modern elektronik cihazların temelini oluşturur

İşlemci tasarımında açık kaynak kodlu ya da lisanssız kullanılabilen işlemci mimarileri bulunmaktadır. Bunlardan en popüler olanı RISC-V (Reduced Instruction Set Computer) olup daha az farklı komut tipine sahip ancak özellikle paralel işlemlerde daha hızlıdır. Diğer bir mimari ise CISC (Complex Instruction Set Computer) karmaşık komut seti şeklindedir. Günümüzde masaüstü veya notebooklarda kullanılan işlemciler bu tiptir. RISC, basitlik ve hız avantajları nedeniyle özellikle düşük güç tüketimi gereken gömülü sistemlerde, mobil cihazlarda ve IoT cihazlarında tercih edilirken, CISC, bilgisayarlar ve sunucu sistemlerinde karmaşık işlemleri daha az komutla halledebilme yeteneği sayesinde tercih edilmektedir. Aşağıda RISC ve CISC işlemci karşılaştırması görülmektedir.

RISC ve CISC Karşılaştırması

Türkiye’de 2008 yılında düzenlediğimiz “Türkiye İşlemcisini Tasarlıyor” yarışmasından beri (bizim bildiğimiz belki de daha önce) işlemci ve chip tasarımı zaten yapılmaktadır. Tübitak BİLGEM, Aselsan, Havelsan, TAI (Türk Havacılık ve Uzay Sanayii A.Ş.), YİTAL (Yüksek Teknolojiler Araştırma Laboratuvarı), TUSAŞ Microelectronics, Yongatek ve birçok üniversite araştırma laboratuvarlarında chip ve işlemci tasarımı yapılmaktadır. Ancak bu kuruluşlar, savunma sanayi, akademik araştırmalar ve ticari projeler kapsamında işlemci ve chip tasarımı özellikle açık kaynak kodlu çalışmalar faaliyetleri yürütmektedir.

Intel veya AMD işlemcilerine benzer CISC mimarisine sahip işlemci tasarımının Türkiye’de mühendisler tarafından yapılması ise şu an zor gözükmektedir. Bunun için Teknofest kapsamında oluşturulan chip tasarımı yarışmaları ile bir ekosistem yaratılmaya çalışıldığı görülmektedir. Eğitim amaçlı bu ve benzer çalışmaları desteklemek her bir mühendisin görevidir.

Mikro denetleyici ve /veya mikro işlemci performanslarını değerlendirmek gerekirse örneğin günümüzde sık kullanılan ve ARM Cortex-M çekirdeğinı kullanan STM32 mikrodenetleyicisi DSP (Sayısal Sinyal İşleme) komutları ile yüzer nokta (floating-point) işlemleri de dahil olmak üzere yaklaşık 200 op-code genişletilmiş bir komut setine sahiptir. Aynı aileden Cortex-M0/M0+ birkaç on milyon transistör, Cortex-M3/M4 birkça yüz milyon transistör içermektedir. Halbuki günümüz işlemcilerinden Intel Core i9-14900HX binlerce op-code çözebilmekte ve 10 milyardan fazla transistöre sahiptir.

ASELSAN ve TÜBİTAK BİLGEM iş birliğiyle geliştirilen Türkiye’nin yerli işlemcisi Çakıl, 64 bit RISC-V mimarisi üzerine inşa edilmiştir ve şu anda 400 MHz saat hızında çalışmaktadır. Çakıl, özellikle savunma sanayii ve güvenlik alanlarında kullanılmak üzere tasarlanmıştır. İşlemci, 1.8 W güç tüketimi ile enerji verimliliği sağlarken, gelecekte 800 MHz saat hızına ve dört çekirdekli bir mimariye yükseltilmesi planlanmaktadır.

Standart olarak 6.2 GHz’lik bir boost frekansına sahip Intel’in Core i9-14900KS işlemcisi uzman overclocking ekipleri tarafından sıvı helyum soğutma kullanılarak 9.12 GHz’e kadar overclock edilebilmektedir.

Sonuç olarak, işlemci tasarımı ve üretimi, dijital sistemlerin temel yapı taşlarından biri olup, teknolojik bağımsızlık ve performans açısından büyük önem taşımaktadır. Türkiye’nin yerli işlemci projeleri, özellikle ASELSAN ve TÜBİTAK BİLGEM’in katkılarıyla, milli savunma sanayii başta olmak üzere kritik alanlarda dışa bağımlılığı azaltmaya yönelik önemli adımlar atmaktadır. Geliştirilen RISC-V mimarili Çakıl işlemcisi, enerji verimliliği ve performans dengesiyle dikkat çekmekte, bu gibi projeler gelecekte daha güçlü, hızlı ve bağımsız işlemci teknolojilerine zemin hazırlamaktadır. Dünya çapındaki işlemcilerle kıyaslandığında henüz yolun başında olan bu girişimler, Teknofest gibi yarışmalar ve araştırmalarla desteklenerek Türkiye’nin yarı iletken sektöründe güçlü bir ekosistem yaratmasına katkı sağlayacaktır.

Boyamaya devam, “fıstık yeşilini” bulacağız.