Mikroişlemciler-I80X86 İşlemci Ailesi. Alper Bayrak Abant İzzet Baysal Üniversitesi Bolu

Transkript

1 Mikroişlemciler-I 80X86 İşlemci Ailesi Alper Bayrak Abant İzzet Baysal Üniversitesi Bolu 2014

2 Sunuma Genel Bakış Sunuma Genel Bakış I 1 Temel Kavramlar Veri Gösterim Birimleri Mikroişlemcili sistemin iletişim Yolları Mikroişlemci Yapısı ve Özellikleri Kaydediciler Önbellek Kontrol Birimi ve ALU 2 Intel Ailesinin Gelişimi 8086/ i486 Pentium

3 Sunuma Genel Bakış Sunuma Genel Bakış II Pentium Pro MMX Teknolojisi Pentium II Celeron Pentium III Pentium IV Hyperthreading teknolojisi 3 İşlemci Üretimi Fotorezist Uygulaması İyon İmplantasyonu High-K dielektrik birikimi Foto litografi Etching - Oymabaskı Metal Dökme

4 Sunuma Genel Bakış Sunuma Genel Bakış III Metal Katmanlar Wafer Sınıflandırma Testi ve Dilimleme Paketleme Sınıf Testi, Tamamlanmış İşlemci

5 Temel Kavramlar Veri Gösterim Birimleri Veri Gösterim Birimleri nibble = 4 bit Bayt=8 bit=1 bayt Word = 16 bit = 2 bayt Doubleword =32 bit = 4 bayt Quadword 64 bit = 8 bayt Paragraph 128 bit = 16bayt Kilobayt(KB) = 2 10 = 1024 bayt Megabayt (MB) = 2 20 = MB Gigabayt (GB) = 2 30 = GB

6 Temel Kavramlar Mikroişlemcili sistemin iletişim Yolları Mikroişlemcili sistemin iletişim Yolları İnsanlarda beyin nasıl tüm vücudu yönetmek, kontrol etmek için sinir sisteminin bir parçası olan sinirleri kullanıyorsa; işlemciler de bilgisayarı yönetmek, kontrol etmek için iletişim yollarını kullanır. Hem işlemci içerisinde hem de işlemciyle diğer birimler arasında iletişim hatları bulunmaktadır. İletişim hatları üzerinden elektrik sinyali geçebilecek iletken hatlardır. Bu hatların sayısı işlemci modeline göre değişir.

7 Temel Kavramlar Mikroişlemcili sistemin iletişim Yolları Mikroişlemcili sistemin iletişim Yolları İletişim hatları üç grup halinde incelenebilir: Adres Yolu (Address Buses): İşlemcinin bilgi yazacağı veya okuyacağı her hafıza hücresinin ve çevre birimlerinin bir adresi vardır. İşlemci, bu adresleri bu birimlere ulaşmak için kullanır. Adresler, ikilik sayı gruplarından oluşur. Bir işlemcinin ulaşabileceği maksimum adres sayısı, adres yolundaki hat sayısı ile ilişkilidir. Adres yolunu çoğunlukla işlemci kullanır. Bu yüzden adres yolunun tek yönlü olduğu söylenebilir. Mikroişlemcinin kullanabileceği bellek kapasitesi adres hattı sayısı ile yakından ilgilidir. N=Adress hattı sayısı ise kullanılabilecek bellek kapasitesi ile gösterilir. Max. Bellek Büyüklüğü= 2 N

8 Temel Kavramlar Mikroişlemcili sistemin iletişim Yolları Mikroişlemcili sistemin iletişim Yolları Veri Yolu (Data Buses): İşlemci, hafıza elemanları ve çevresel birimleriyle çift yönlü veri akışını sağlar. Birbirine paralel iletken hat sayısı veri yolunun kaç bitlik olduğunu gösterir. Örneğin, iletken hat sayısı 64 olan veri yolu 64 bitliktir. Yüksek bit sayısına sahip veri yolları olması sistemin daha hızlı çalışması anlamına gelir.

9 Temel Kavramlar Mikroişlemcili sistemin iletişim Yolları Mikroişlemcili sistemin iletişim Yolları Kontrol Yolu (Control Buses): İşlemcinin diğer birimleri yönetmek ve eş zamanlamayı (senkronizasyon) sağlamak amacı ile kullandığı sinyallerin gönderildiği yoldur. Örnek olarak oku ve yaz sinyalleri.

10 Temel Kavramlar Mikroişlemcili sistemin iletişim Yolları Mikroişlemcili sistemin iletişim Yolları Figure: Bir bilgisayar sisteminin genel blok şeması

11 Temel Kavramlar Mikroişlemcili sistemin iletişim Yolları Mikroişlemcili sistemin iletişim Yolları Figure: Bilgisayar bileşenlerinin anakart üzerindeki yerleşimi

12 Temel Kavramlar Mikroişlemcili sistemin iletişim Yolları Mikroişlemcili sistemin iletişim Yolları Figure: Anakart bileşenleri

13 Temel Kavramlar Mikroişlemcili sistemin iletişim Yolları Mikroişlemcili sistemin iletişim Yolları Anakart üzerindeki port yapıları No Adı No Adı 1 Paralel port 8 Yan hoparlör (Limon) 2 IEEE 1394 portu 9 Mikrofon (Pempe) 3 RJ-45 portu 10 USB Yan hoparlör (Gri) 11 USB Arka hoparlör (Siyah) 12 Seri (COM) port 6 Merkezi/Bas (Portakal) 13 PC/2 klavye (Mor) 7 Ses girişi (Açık mavi) 14 PS/2 fare (Yeşil)

14 Temel Kavramlar Mikroişlemci Yapısı ve Özellikleri Mikroişlemci Yapısı ve Özellikleri Bilgisayarın en önemli parçası mikroişlemci, çok karmaşık bir yapıya sahiptir ve günümüzde Intel, Motorola, AMD, CYRIX, vb. firmalar tarafından geliştirilmekte ve piyasaya sürülmektedir. Mikroişlemcili sistemlerde yaygın olarak kullanılan mikroişlemciler; Intel tarafından üretilen Pentium ve Motorola tarafından üretilen Power PC veya M680X0 kodlu mikroişlemcileri (genellikle sanayide kontrol amaçlı) olmakla birlikte, diğer firmaların ürettikleri mikroişlemcilerde piyasada kullanılmaktadır.

15 Temel Kavramlar Mikroişlemci Yapısı ve Özellikleri Mikroişlemci Yapısı ve Özellikleri Mikroişlemci içinde farklı amaçlarla kullanılan temel birimler vardır. Bu birimler sırası ile şu şekildedir. Kaydediciler (Registers) Aritmetik Mantık Birimi (ALU) Kontrol Birimi Ön Bellek

16 Temel Kavramlar Kaydediciler Kaydediciler Kaydediciler mikroişlemci içerisinde yer alan geçici saklama birimleridir. Çok hızlı bir şekilde veri yazma ve okuma yapılabilir. Kaydedicilerin bir defada tutabilecegi veri büyüklüğü önem arz eder. Kaydediciler 8 bit, 16 bit, 32 bit, 64 bit genişliğinde olabilirler. Kaydedicilerin genişliği işlem hızına çok büyük oranda etki eder. Bu yüzden kaydedici genişliğine göre işlemcileri 8 bit, 16 bit, 32bit, 64 bit işlemciler biçiminde genel olarak sınıflandırılabilir.

17 Temel Kavramlar Önbellek Önbellek Sistem belleğinden(ram) gelen veriler, çoğunlukla CPU nun hızına yetişemezler. Bu problemi çözmek için CPU içinde yüksek hızlı hafızalar bulunur. Ön bellek çalışmakta olan programa ait komutların, verilerin geçici olarak saklandığı yüksek hızlı hafızalardır. Ön bellekler önceleri işlemci dışında yer almış daha sonra işlemci içine yerleştirilmiştir.

18 Temel Kavramlar Önbellek Önbellek İşlemcinin komutları daha hızlı yüklemesini sağlayan bu hafıza genellikle L1 (Level 1) ve L2 (Level 2) olmak üzere iki kısımdan oluşur. İşlemci, ihtiyaç duyduğu komutu ilk önce L1 ön bellekte (L1 ön bellek L2 ön bellekten daha hızlıdır.) arar. Eğer işlemcinin aradığı komut burada yoksa L2 önbelleğe bakar. Eğer burada da yoksa sırasıyla RAM ve sabit disk üzerindeki sanal hafıza üzerinde arar.

19 Temel Kavramlar Kontrol Birimi ve ALU Kontrol Birimi ve ALU Kontrol Birimi: İşlemciye gönderilen komutların çözülüp (komutun ne anlama geldiğinin tanımlanması) işletilmesini sağlar. İşlemci içindeki birimlerin ve dışındaki birimlerin eş zamanlı olarak çalışmasını sağlayan kontrol sinyalleri bu birim tarafından üretilir. Aritmetik / Mantık Birimi (Arithmetic Logic Unit- ALU): Mantıksal ve matematiksel işlemlerin yapıldığı kısımdır. Dört işlem, üs alma gibi temel aritmetik işlemler ile büyük, küçük, ve, veya gibi mantıksal işlemleri yerine getirir.

20 1978/1979 yıllarında üretilen ilk 8086/8088 den başlayıp 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Pentium II, Pentium III ve Pentium IV mikroişlemcilerine uzanan geniş bir ürün yelpazesine sahip olan Intel x86 mikroişlemci ailesi tarihteki en başarılı mikroişlemci ailesi olmuştur. Bunda çeşitli faktörler rol almıştır, fakat en büyük neden, şüphesiz 1981 yılındaki ilk PC de IBM firmasının 8088 mikroişlemcisini seçmesi olmuştur. O tarihten itibaren, IBM ve bir çok firma bu işlemcileri PC lerde kullanmaktadır. PC lerin dünyada yaygın olarak kullanılması, bu işlemcilerin başarısında en büyük neden olmuştur.

21 Mikroişlemciler mimari yapılarına göre farklılık gösterir. Ortak bir mimariye sahip işlemciler, komutları tanıdıkları için, aynı programları çalıştırabilir. Bir mikroişlemcinin tanıdığı komutlar, yani komut kümesi o mikroişlemci mimarisinin en temel özelliklerinden biridir. Diğer önemli bir mimari özellik mikroişlemcinin dahili kaydedici kümesidir. Kaydediciler, mikroişlemcinin çalışması sırasında, geçici verilerin saklandığı bellek hücreleridir. Bu bellek hücreleri işlemcinin içindedir. Farklı komut ve kaydedici kümesine sahip mikroişlemciler genelde birbirlerinin programlarını çalıştıramazlar.

22 Günümüzde en popüler mikroişlemci mimarisi Intel x86 ailesine ait mimaridir. Bunda çok yaygın olarak kullanılan IBM PC ler büyük bir rol oynamıştır. Intel x86 işlemcilerin, PC lerde ve ayrıca bir çok elektronik üründe çok yaygın olarak kullanılması, bu aileyi, endüstri ve eğitim için çok önemli bir konuma getirmiştir. Bu ailenin ilk işlemcisi 1978 yılında üretilen 8086 dır. O zamanlardan günümüze, x86 işlemcileri önemli bir değişim gösterdi. Bu ailenin önemli kilometre taşları olan işlemciler sırasıyla şunlardır: 8086/8088, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Pentium II, Pentium III ve Pentium IV işlemcileridir.

23 Bugün, mikroişlemci üreten irili ufaklı pek çok firma bulunmaktadır. Bunların en önemlileri, Intel ve Motorola firmalarıdır. X86 ailesinin lokomotifini çeken Intel firması olmasına rağmen, günümüzde Intel dışında x86 mikroişlemcisi üreten, AMD, Cyrix, Centour ve Rise Tecnology gibi firmalar bulunmaktadır. Intel x86 ailesinin dışında, diğer önemli mikroişlemci mimarilerinden bazıları şunlardır: Modern Macintosh larda bulunan Power PC, eski Mac lerde bulunan 680x0 serisi, Digital ve Compact ın güçlü makinelerinde kullanılan Alpha ailesi, Sun firmasının SPARC işlemcileri, Silicon Graphics in MIPS RX000 serisi, HP in PARISC i önemli mimariler olarak sayılabilir. Bu mimarilerin hiç biri kendi aralarında ve aynı zamanda X86 ile uyumlu değildir.

24 Figure: Intel firmasının üretmiş olduğu işlemcilerin tarihsel gelişimi Mikroişlemciler-I80X86 İşlemci Ailesi

25 Tablodaki terimler: Transistors sayısı, işlemci üzerindeki transistör adedini göstermektedir. Tablodan da görüleceği gibi transistör sayısı yıllara bağlı olarak düzenli bir artış göstermiştir. Microns, işlemci üzerindeki en ince telin mikron cinsinden kalınlığını göstermektedir. Karşılaştırma için, insan saçı 100 microns kalınlığındadır. İşlemcilerdeki boyutlar düşerken transistör sayısı sürekli artmaktadır. Hız, işlemci nin çalışma frekansını gösterir. her clock (pulse) bir işlemin yapılması için geçen zamanı gösterir. Veri yolu, işlemdış dünya ile haberleşirken kullandığı yolun genişliğidir. MIPS (millions of instructions per second), bir mikroişlemcinin 1 saniyede işleyebileceği komut sayısıdır. Örnek: 0.8 MIPS saniyede 0.8 milyon komut işleyebiliyor demektir. ve CPU ların performansını ölçmek için kullanılan bir birimdir.

26 Intel Ailesinin Gelişimi Intel Ailesinin Gelişimi Intel firması 1968 yılında bellek tümleşik devreleri yapmak üzere kuruldu. Üretecekleri bir hesap makinesi için CPU tümleşik devresi isteyen, hesap makinesi üreten bir firmanın talebi; ve yine üretecekleri bir terminal için özel bir tümleşik devre isteyen, diğer bir firmanın istediklerini karşılamak için, Intel firması 4004 (1971) ve 8008 (1972) CPU larını üretti. Figure: Intel 4004 Çipi

27 Intel Ailesinin Gelişimi Intel Ailesinin Gelişimi Mikroişlemciler ve mikrobilgisayarların sınıflandırılmasında en temel ölçü, mikroişlemcinin tümleşik devre üzerinde işlem yaptığı en uzun verinin bit sayısı, yani kelime uzunluğudur. 4-bit işlemci olan 4004 ve 8-bit işlemci olan 8008 den başlayarak, mikroişlemciler ve mikrobilgisayarlar için, 4-bit, 8-bit, 16-bit, 32-bit ve 64-bit gibi veri uzunluk standartları doğmuştur. Intel, bu ilk müşterilerinden başkasının, 4004 ve 8008 tümleşik devrelerine ilgi göstereceklerini tahmin etmediği için, üretim hattını düşük kapasiteli tutmuştur.

28 Intel Ailesinin Gelişimi Intel Ailesinin Gelişimi Fakat tahminlerin aksine, bu tümleşik devrelere çok büyük bir ilgi oldu. Bunun sonucu ve aynı zamanda 8008 in 16 KB lık bellek limitini aşmak amacıyla, Intel firması 1974 yılında genel amaçlı 8080 CPU sunu üretti. Birden bu tümleşik devreye büyük bir talep oldu ve kısa bir süre içinde 8080, 8-bit mikroişlemci endüstri standardı oldu. Intel, iki yıl sonra 1976 da gelişmiş bir 8080 işlemcisi olan 8085 piyasaya sürdü.

29 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 mikro işlemci 20 bit ile bellek adresleyerek 1 MB lık bellek kullanabilir. Arkasından çıkan 8088 işlemci ile IBM ilk kişisel bilgisayarı (PC) piyasaya sürdü. Bu ilk PC nin 16K hafızası, grafik özelliği olmayan ekranı ve bir teyp bandı sürücüsü vardı mikro işlemci, 16 bit üzerinden işlem yapan veri yolu 8 bit olan bir mikro işlemcidir.

30 Kısa bir süre sonra Intel, işlemcisini çıkartarak PC performansını yeni bir seviyeye yükseltti 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 Mikro işlemci, adres yolu 20 bit iç ve dış veri yolu 16 bit ve 16 MB a kadar belleği doğrudan adresleyebilirler.

31 Intel in bir kuşak sonraki işlemcisi olan işlemcisi PC dünyasına büyük değişiklikler getirdi. SX ve DX modelleri olan bu işlemcinin en büyük özelliği 32 bit bir işlemci olmasıydı. SX işlemcinin dış veri yolu 16, iç veri yolu 32 bittir. Saat hızı Mhz dir. DX işlemcisinin hem iç hem de dış veri yolu 32 bit saat hızı MHz dir. 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.

32 i486 i486 Intel Nisan 1989 yılında i486 işlemciyi piyasaya 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 Mikro işlemci, iç ve dış adres yolu 32 bit olup 4 GB adresleyebilen bir mikro işlemcidir. Saat hızları 25 ile 100 Mhz arasında olan çeşitleri vardır. SX modelinde matematik işlemci yoktur. DX ve DX2 modellerinde matematik işlemci olup işlemcinin içinde 4 KB veri ve 4 KB komut önbelleği vardır.

33 i486 i486 Matematik işlemciler, mikroişlemciler gibi her işi yapan devreler değildir. Yalnızca matematik işlemleri, çok üstün bir duyarlık ve hızla yapan özel işlemcilerdir DX e kadar ayrı bir devre olarak satılan bu matematik işlemciler 80486DX ile mikroişlemcinin yapısına dahil edilmişti. Ama özel olarak matematik işlem yoğunluklu işlerle uğraşmayanların yine de 486 nın getirdiği avantajlardan yararlanması için 80486SX işlemcisi üretilmişti.

34 Pentium Pentium i486 işlemcilerin hızla yaygınlaştığı bir dönemde Intel P5 kod adıyla tasarladığı yeni işlemci ailesini Pentium adıyla piyasaya sürdü. Pentium Mikro işlemci, Intel firmasının 1994 yılında piyasaya sürdüğü 32 bitlik iç 64 bitlik dış veri yolu kullanan, adres yolu 64 bit olan mikro işlemcidir. 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.

35 Pentium Pentium Pentium işlemcilerde, 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 0.8 mikronluk 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 işlemcide 3.1 milyon tane transistör vardır.

36 Pentium Pro Pentium Pro Pentium işlemcilerin yaklaşık iki katı işlemci gücüne sahip olan bu işlemcilerde 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 işlemlerinde ona hız kazandırmıştır. Pentium Pro mikroişlemcide Pentium işlemciye ek olarak 256 KB lık bir L2 ön bellek vardır. 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.

37 MMX Teknolojisi MMX Teknolojisi Intel, 1997 nin başlarında Pentium MMX(MultiMedia extension) işlemciyi piyasaya sürerek Pentium tasarımına yeni bir boyut kazandırdı. Eski pentium işlemcilere göre 1.5 kat daha fazla transfer içeren ve pentium işlemcilerle tamamen uyumlu uyum olan işlemcilerdir. Pentium MMX işlemcilerin 166, 200 ve 233 MHZ hızında çalışan modelleri vardır.

38 MMX Teknolojisi MMX Teknolojisi Bu işlemci multimedya (çoklu ortam yazılımları, oyunlar, MPEG gibi grafik tabanlı yazılımlar) uygulamaları için özel komutlar içerir. Multi Media Extension ın kısaltılmışı olan MMX, Pentium işlemcisine 57 adet yeni komutun eklenmesiyle oluşmuş bir işlemcidir. Yani birkaç komutun yaptığı bazı işlemler tek komutta toplanmıştır. Single Instruction - Multiple Data -SIMD (Tek Komut - Çoklu Veri) teknolojisinin kullanıldığı bu işlemcilerde tek bir komutun getirdiği bir çok işlem paralel olarak bir arada yapılabilmektedir.

39 MMX Teknolojisi MMX Teknolojisi Bu işlemcilerde multimedya için komut setinin genişletilmesiyle birlikte L1 önbellek kapasitesi de 32 KB a yani iki katına çıkartılmıştır. İşlem performansı söz konusu olduğunda MMX işlemcilerin verimliliği tartışılmaz MMX işlemcilerin hızlı olmasındaki en büyük faktör önbelleğin büyüklüğüdür. Ayrıca MMX işlemcilerde besleme gerilimi 5V veya 3.2V tan 2.8V a düşürülerek işlemci çekirdeğindeki kayıp performans düşürüldü. Bu sayede yüksek saat hızına rağmen işlemci daha az ısınmaktadır.

40 Pentium II Pentium II Pentium II Pentium pro işlemcisi ile MMX işlemcisinin birleşimi ile 1997 de orta çıkarıldı. MMX teknoloji ile yakaladığı performansı Pentium Pro ile birleştiren Intel Pentium II işlemcileri piyasaya sürdü. Pentium II işlemciler hem yapı olarak hem de fiziki olarak önceki işlemcilerden farklılıklar taşımaktadır. Bu işlemcilerin diğerlerinden farkı SEC (single Edge Contact) adı verilen genişleme yuvalarına (slot) takılan bir işlemci olmalarıdır.

41 Pentium II Pentium II İşlemci anakart üzerindeki Slot-1 adı verilen özel yuvaya takılır. Pentium II işlemcilerde 32 KB lık bir L1 önbellek ve 512 KB lık L2 önbellek içerir. Önceki işlemcilerde Soket 7 yi kullanan Intel Pentium II ile birlikte SEC (Single Edge Contact) adını verdiği ve Slot 1 e girecek yapıda bir dizayn kullandı. Pentium II ailesinin ilk modeli 233 MHz hızında üretildi. Arkasından 266 MHz, 300 MHz ve 333 MHz modelleri geldi. Intel bu aşamadan sonra 66 MHz lik veri yolunun yanında 100 MHz lik veri yolunu da kullanmaya başladı ve daha sonra çıkan işlemciler 350 MHz, 400 MHz ve 450 MHz olarak çıktı.

42 Celeron Celeron Pentium II işlemcinin ucuz sürümüdür. Aralarındaki temel fark 512 L2 önbelleğinin Pentium Celeron işlemcilerde olmamasıydı. Fakat L2 önbelleğinin olmaması büyük performans düşüklüklerine yol açtığından sonraki sürümlerinde 128 KB lık bir önbellek konuldu. Bu serinin ilk ferdi 266 MHz olarak tasarlanmıştır. L2 ön belleği olmayan Celeronlar Pentium Pro ile aynı performansı göstermektedir. 266 MHz işlemcinin arkasından yine L2 önbelleği olmayan Celeron 300 üretildi.

43 Celeron Celeron İlk nesil Celeron işlemcilerin fiyatı çok cazip olmasına rağmen önbellek gerektiren uygulamalarda yetersiz kalması bu işlemcilere ilgiyi azalttı. Bu sırada Intel yine bir atak yaparak 128KB L2 önbelleğe sahip Celeron 300A işlemcisini üretti. Arkasından gelen 333 MHz, 366 MHz, 400 MHz, 433 MHz ve 466 MHz işlemciler 128 KB önbellek geleneğini devam ettirdiler.

44 Pentium III Pentium III Pentium III mikroişlemcisi 1999 yılının başında Intel tarafından piyasaya sunulmuştur. Pentium III ile gelen önemli bir yenilik, Streaming SIMD Extensions kısaca SSE olarak adlandırılan bir yapıdır. Bu mimari yapı ile, ileri görüntü işleme, 3D, ses ve video ses tanıma gibi uygulamalarda kullanılabilecek 70 tane yeni komut eklenmiştir. Pentium III ayrıca P6 mikromimarisini dinamik yürütme, çoklu dallanma tahmini, veri akışı analizi ve tahmini yürütme çok işlemli sistem yolu ve Intel MMX teknolojisini içerir. Pentium III, PC ve Internet hizmetleri ve ağ erişim güvenliği için planlanan yapı bloklarından ilki olan işlemci seri numarası sunar.

45 Pentium III Pentium III Bu komutlarla birlikte işlemciye eklenmiş diğer yapısal bir değişiklik de 8 adet yeni registerdir. Bu yeni register lar işlemcide yeni SIMD FPU komutları tarafından kullanılmak üzere yer alıyorlar. Register lar 128-bit lik bir genişliğe sahiptir. Bu sayede birden çok (dörde kadar) FP ucu bir register a yüklenebiliyor ya da SIMD komutları bu register larda saklanabiliyor. Bu şekilde Intel, RISC işlemcilere göre en büyük eksiklik olan register sayısının azlığını yavaş yavaş kapamaya başladı.

46 Pentium IV Pentium IV Bu işlemci pek çok yenilik içermektedir. Örneğin hyperthreading özelliği ile iki işlemci gibi çalışabilmektedir. Ayrıca yüksek frekansta çalışması, transistör teknolojisinin gelişmiş olması dolayısı ile düşük güç tüketimi gibi özelliklerle önceki işlemcilere oranla gücüne güç katmıştır. Figure: Intel Pentium 4 işlemcisi

47 Hyperthreading teknolojisi Hyperthreading teknolojisi Yüksek kalitede video ile ses, ağır veritabanı uygulamaları birçok veriyi işleme zorunluluğu getirmektedir. Bu kadar çok veriyi işlemek için birden fazla işlemci kullanılabilir. Ancak bu pahalıya mal olur. Bu tip bir çözüm yerine, kullanılabilecek daha ucuz çözümlerden biri olan Hyper-Threading (HT) teknolojisi sayesinde bir işlemci birbirinden bağımsız iki programa ait veriyi aynı anda işleyebilmektedir. Hyper Threading teknolojisi için aynı anda birkaç yazılımı çalıştırırken, randımanı artırmaya yarayan bir teknolojidir denilebilir.

48 Hyperthreading teknolojisi Hyperthreading teknolojisi HT teknolojisi, bu teknolojiyi destekleyen işlemciye, çipsete, sistem BIOS a ve işletim sistemine sahip bilgisayar sistemleri gerektirir. Örneğin, Windows 2000 Professional HT yi desteklemediği için, bu işletim sistemi yüklü olan bir bilgisayarda HT nin getirdiği performanstan yararlanılamaz. Performans kullandığınız donanım ve yazılıma bağlı olarak değişir.

49 İşlemci Üretimi İşlemci Üretimi Kum Silikon, yer kabuğundaki ikinci (%25) en yaygın kimyasal elementtir. Kum özellikle de kuvars yüksek miktarda silikon (SiO2, silisyum dioksit) içerdiği ve silikon da yarıiletken üretiminde ana bileşen olduğu için çip üreticilerinin temel maddesidir.

50 İşlemci Üretimi İşlemci Üretimi Eritilmiş Silikon Silikon, farklı aşamalardan geçerek arındırılır ve sonunda yarıiletken üretiminde kullanılacak kalite seviyesine ulaşır ki buna Elektronik Grad Silikon adı verilir. Elektronik Grad Silikon, milyarlarca silikon ve alyan atomu içerir. Resimde arındırılmış silikon eriyiğinden elde edilen külçeyi (mono kristal) görebilirsiniz.

51 İşlemci Üretimi İşlemci Üretimi Mono Kristal Silikon Külçe Külçe, Elektronik Grad Silikondan üretilir. Bir Külçe 100 kilogram ağırlığında olup, % silikon saflığına sahiptir. Külçeler, Wafer olarak adlandırılan ayrı disklere kesilirler. Her bir Wafer ın kalınlığı 1mm dir. Waferlar, ayna parlaklığında, kusursuz bir yüzeye sahip olana kadar parlatılırlar. Intel, tüm bu süreçlerden geçmiş üretime hazır waferları üçüncü parti firmalardan temin eder.

52 İşlemci Üretimi Fotorezist Uygulaması Fotorezist Uygulaması Wafer üzerinden çip elde etme işlemi, yüksek hassasiyet seviyesiyle kontrol edilen yüzlerce adımı içermektedir. İşte bu sürecin en önemli aşamalarından biri de farklı materyaller içeren kalıpların birbiri ardına dizilmesidir. İşlemci üretimindeki uzun ve karmaşık süreçte en önemli aşamalardan biri de fotorezist uygulamasıdır. Yukarıdaki resimde Mavi renkle görülen fotorezist, ortaya çıktıktan sonra bir sonraki aşama için temizlenir. Kalan fotorezist, materyalleri iyon implantasyonuna maruz kalmamaları için korur.

53 İşlemci Üretimi İyon İmplantasyonu İyon İmplantasyonu İşlemci zarı elde edilecek wafer, fotolitografi kullanılarak kalıplara ayrılır. Wafer, artı veya eksi yüklü iyonlar içeren ışın bombardımana tutulur. İyonlar, kendilerini wafer yüzeyinin altına, seçili lokasyonlardaki silikonun iletken özelliklerinde değişiklik yapmak üzere gömerler. Resimde görülen yeşil bölgeler, doğru şekilde uygulanmış aylan atomlarını göstermekte.

54 İşlemci Üretimi High-K dielektrik birikimi High-K dielektrik birikimi Intel, wafer yüzeyinde, transistör kapısı ve onun kanalı arasındaki geleneksel yalıtkanlar yerine çok katmanlı dielektrik materyal kullanır. Bu materyal, bir seferde bir atomik katman uygular. Bu uygulama, elektrik sızıntılarını azalttığı gibi enerji verimli işlemci üretimini de mümkün kılmaktadır. Wafer yüzeyine uygulanan ayrı molekül katmanlarının her biri, çoklu katman içerir. Orta resimdeki sarı iki katman, bu katmanları temsil etmektedir. Üçüncü resim ise High-K yalıtkan materyalin tüm wafer yüzeyine uygulanışını göstermektedir. High-K yalıtkan materyal, geleneksel silikondioksit katmana göre dahakalın olmakla birlikte, performansı maksimize edecek aynı sığal özelliklere sahiptir. Uygulanan yenilikçi yalıtkan sayesinde, yapısal değişikliklere rağmen, akım kaçağı azaltılabilimiştir.

55 İşlemci Üretimi Foto litografi Foto litografi Wafer, üzerine dökülen siyah sıvı ile birlikte döndürülür ve bu adım, ince fotorezist katmanının uygulanmasına olanak tanır. Fotorezist, ultra viyole ışığa çıkartılır. Bu aşamada meydana gelen kimyasal reaksiyon, obtüratör butonuna basıldığı anda film kamerasında meydana gelen ile oldukça benzerdir. Ultra Viyole ışığa çıkartılan fotorezist anından çözülebilir olacaktır. Stensil benzeri maskeler kullanılarak tamamlanan açığa çıkartma işleminde, UV ışık kullanılmaktadır çünkü bu sayede maskeler, işlemcinin her katmanında yer alan çeşitli baskılı devrelerini yaratır. Orta resimde görülen lens, maskenin imajını azaltır ve sonuç olarak wafer üzerinde oluşan baskı, tipik olarak maskenin kendi kalıbından dört kat daha küçük olur. Intel araştırmacıları, geliştirdikleri çok daha küçük transistörler sayesinde tek bir pinin başına 30 milyon transistor yerleştirebilmektedirler.

56 İşlemci Üretimi Etching - Oymabaskı Etching - Oymabaskı Yapışkan fotorezist, kullanılan çözücü ile yok edilir. Bu adımla birlikte maske tarafından yapılan fotorezist kalıbı (siyah kısım) ortaya çıkar. Fotorezist, kimyasallara aşınmaması adına High-K dielektriği koruma görevini üstlenir. Aşındırılmış fotorezistin kaldırılmasından sonra istenen şekil görünür olur.

57 İşlemci Üretimi Metal Dökme Metal Dökme Hazır transistörler artık tamamlanmaya yakındır. Üç delik, Kırmızı renkle görülen yalıtkan katman ile yakılırlar. Bu üç delik, diğer transitörlerle iletişimi sağlamak üzere bakır ya da diğer metaller ile doldurulurlar. Elektro-Kaplama aşamasında waferlar, bakır sülfat solüsyon içerisine sokulurlar. Bakır iyonları, elektro-kaplama adı verilen işlem ile transistörlere dökülürler. Bakır iyonları, pozitif terminalden (anot) negatif terminale (katot) doğru seyahat ederler. Elektro-Kaplama aşamasından sonra Bakır iyonları aynı ince bir Bakır katmanı gibi yerleşirler wafer üzerine.

58 İşlemci Üretimi Metal Katmanlar Metal Katmanlar Bu aşamada önce artan materyal silinir. Çoklu metal katmanlar, farklı transistörler arasında bağlantı (kablolar gibi) oluştururlar. Bağlantıların nasıl gerçekleşeceği ise mimari ve tasarım ekipleri tarafından tanımlanır. Bilgisayar çipleri aşırı düz görünürler, aslında 30 dan fazla katmana sahip olan işlemcilerin büyütülmüş görüntülerine bakılırsa, devre hatları arasındaki karışık ağ yapısı ve transistörler, futuristik birçok katmanlı otoban sistemi gibi görülebilirler. Wafer, gerekli süreçler tamamlandıktan sonra tümleşke ve test tesislerine transfer edilirler.

59 İşlemci Üretimi Wafer Sınıflandırma Testi ve Dilimleme Wafer Sınıflandırma Testi ve Dilimleme Hazır waferlar ilk olarak fonksiyonalite testine tabi tutulurlar. Bu aşamada, test kalıbı her çip için tekrarlanır ve çipin tepki süresi takip edilerek doğru cevap ile karşılaştırılır. Wafer, dilimleme aşamasında, zar olarak tanımlanan parçalara ayrılır. Intel in 32nm Core i3 ve Core i5 işlemcilerinde, biri CPU diğeri de grafik için olmak üzere iki zar hazırlanır ve aynı pakette bir araya getirilirler. Az önce detaylandırdığımız üzere test aşamasında doğru cevabı veren zarlar bir sonraki aşamaya geçer, hatalı zarlar ise ayıklanır. Wafer dilimleme aşamasından sonra işlemcilerde kullanılacak zarlar ortaya çıkmış olur.

60 İşlemci Üretimi Paketleme Paketleme Wafer dilimlemesinin ardından paketlemeye geçilir ve zar ya da zarlar (Core i3 ve Core i5 için) ısı dağıtıcı ile birlikte tamamlanmış işlemci formunu oluşturmak için bir araya getirilirler. Resimde görülen yeşil alt tabaka, PC sisteminin kalanıyla kurulacak iletişim için gerekli olan elektriksel ve mekanik arabirimi kurar. Resimde görülen gümüş ısı dağıtıcı ise, kullanılacak işlemci soğutucusu ile teması sağlar ve çalışma esnasında işlemciyi serin tutar. Son resimde ise tamamlanmış bir işlemci görülmektedir. Mikroişlemciler, dünya üzerinde üretim süreci en karmaşık ürünlerdir ve yüzlerce süreçten geçerler. Tabi tüm bunlardan bahsederken, işlemcilerin, dünyanın en temiz ortamında yani mikroişlemci tesislerinde üretildiğini de belirtelim.

61 İşlemci Üretimi Sınıf Testi, Tamamlanmış İşlemci Sınıf Testi, Tamamlanmış İşlemci Son test aşamasında, hazırlanan işlemciler, anahtar karakterlerini ortaya çıkartacak (ısıl güç tasarımı ve en yüksek frekans değerleri) teste alınırlar ve elde edilen test sonuçlarına göre modellendirme yapılarak aynı kapasitedeki işlemciler aynı taşıma rafına dizilirler. Üretimi bitmiş ve test süreci tamamlanmış işlemciler, sistem üreticilerine raflar içerisinde, teknoloji mağazalarına ise orijinal kutuları içerisinde gönderilir ve tüketicilerle ilk buluşma gerçekleşmiş olur.

62 İşlemci Üretimi Sınıf Testi, Tamamlanmış İşlemci TEŞEKKÜRLER