Çok Güçlü Hale Gelen Telefonlar Neden Fana İhtiyaç Duymaz?

Cep telefonları her yıl daha da güçleniyor. Özellikle de son yılları şöyle bir düşündüğümüzde, kullanılan çipler ve tüm teknolojilerin çok hızlı şekilde geliştiğine tanık olduğumuzu söyleyebiliyoruz.

Bugün üst düzey bir akıllı telefon, orta seviye veya birkaç nesil eskimiş bir bilgisayardan çok daha güçlü olabilir. CPU’nun yanı sıra, daha güçlü entegre grafikler sayesinde grafik işleme performansı da çok iyi seviyelerde. Hatta Intel entegre grafiklere sahip bir ultrabook’tan daha güçlü grafik performansı görmek mümkün.

Ancak bu güce rağmen neden telefonlar (ve tabletler) bir fana ihtiyaç duymuyor? Bilgisayar kullanıcıları koca koca soğutma sistemleriyle ilgilenirken, oldukça küçük ve güçlü olan cihazlar nasıl sorunsuz çalışabiliyor?

Fanların Hantallığı ve Kullanım Şekli

Telefon üreticileri, yıllardır cihazlarını mümkün olduğunca ince ve hafif hale getirmek harcadılar. Bu yönde çalışmalar ve yatırımlar yaptılar. Eğer fanları hesaba katmak zorunda olsalardı, sürekli cebimizde taşıdığımız telefonlar birkaç milimetre kalınlığında olmazdı.

Fanlar yapısı gereği hantaldır ve hareket etmek için alana ihtiyaç duyarlar. Ayrıca aşırı kullanıma ve dikkatsizliğe maruz kaldıklarında çabuk bozulabilirler. Telefonlar küçük boyutu nedeniyle hayatımızın ayrılmaz bir parçası. Spor yaparken, araziye çıktığınızda, yatağınızda ve her yerde. Eğer akıllı telefonlar aktif fana sahip olsaydı, dikkatsiz davrandığınızda geri kalanı sağlam halde olsa bile fanları muhtemelen zarar görürdü. Zarar gördüğünde ise aşırı ısınmalar meydana gelirdi, performans düşüklüğünün yanı sıra farklı arızalar yaşanabilirdi.

Geniş Alan İhtiyacı

Eğer bir şeyde fanlı soğutma kullanıyorsanız, mevcut alan kesinlikle dar ve sıkışık olmamalı. Yoğun iş yükleriyle çalışırken dizüstü bilgisayarınızı yastığın üzerine koyun ve neler olduğunu izleyin. Yüksek ihtimalle hızla yüksek sıcaklıklara ulaşacaktır.

Şimdi dizüstü bilgisayarınızın daha küçük bir versiyonunu cebinizde taşıdığınızı hayal edin. Aşırı ısınmasa bile bir noktada kapanacaktır. Pil ömrü de kesinlikle olumsuz etkilenecek.

Mobil Çipler Daha Verimli, Daha Az Güç Tüketiyor ve Daha Az Isınıyor

GPU veya CPU olsun, bir işlemcinin enerji verimliliğini tartmaya kalkarken genelde anahtar bir terime bakarız: Termal Tasarım Gücü (Thermal Design Power, TDP). TDP genellikle watt cinsinden listelenir ve CPU’nun tam yük altında çalışırken üretmek üzere tasarlandığı maksimum ısı miktarını gösterir. Doğrudan ne kadar enerji çekildiğini söylemez, ancak bir üst sınır ve fikir verir.

Akıllı telefon ve tabletlerinizde kullandığınız işlemciler, bazı istisnalar hariç olmak kaydıyla masaüstü, dizüstü, HEDT ve sunucu işlemcilerinden farklıdır. Küçük taşınabilir cihazlarda enerji verimliliğine odaklanan SoC’ler, çekirdekler ve komut setleri benimsenmekte.

Telefonlarınızda yer alan işlemci çekirdekleri, ARM komut seti mimarisi üzerine inşa edilmiştir. AMD ve Intel gibi işlemciler ise x86 komut seti mimarisiyle üretiliyor. Daha yüksek kas gücüne ve performansa hitap ederken, daha yüksek TDP değerlerine çıkılıyor.

Örnek olarak Qualcomm Snapdragon 8 Gen 3, en zorlu oyunları oynayabilen premium akıllı telefonlar için tasarlanmış üst sınıf bir mobil işlemci. Peki tüm her şeyi yapabilen bu SoC ne kadar TDP değerine sahip dersiniz? Sadece 12,5W. Bu değer ilk Snapdragon çiplerin 5W’lık değerinden daha yüksek olsa da, güç tüketimi bakımından en alt seviyede olan bir Intel CPU ile karşılaştırılabilir seviyede.

Masaüstü işlemciler bugün 125W gibi TDP’lerle listelense bile, maksimumda 250-300W gibi değerler havada uçuşuyor. Bir başka misal, GeForce RTX 4090 ekran kartının TDP değeri 450W. Daha sonrasında piyasaya sürülen yeni amiral gemisi GeForce RTX 5090 ise 575W gibi geçmişte hayal edemeyeceğimiz TDP değeriyle satışa sunuldu.

Ayrıca bahsettiğimiz güç tüketimi bilgisayarın sadece bir bileşeni için geçerli. Bu düzeyde bir enerji kullanımı, pille çalışması gereken mobil cihaz için asla uygun değil ve ayrıca pasif soğutmanın kaldırabileceğinden daha fazla ısı üretir. Masaüstü ve dizüstü bilgisayarların fana ihtiyaç duyarken telefonunuzun ihtiyaç duymamasının bir nedeni de bu. Bu aynı zamanda telefonların, ne kadar ilerlemiş olurlarsa olsunlar, henüz özel bir oyun bilgisayarının grafik performansına erişememesinin biri.

Verimli SoC Tasarımı

Pekala telefon işlemcileri hem güçlü hem de verimli olmayı nasıl başarıyor? Yöntemler arasında sıcaklığa duyarlı zamanlama (sıcak işlemcileri soğuk olanlar lehine yavaşlatma), trafik azaltma (ağ trafiğini çip üzerinden sıcak noktalardan kaçınacak şekilde yönlendirme) ve saat geçişi (işlemci mantığını her seferinde birkaç mikrosaniye durdurma) gibi şeyler yer alıyor.

Akıllı telefon tasarımcılarının cihazlarını serin tutmaları için elinde hangi kozlar var? Kısaca maddeler halinde ele alalım:

İşlemci Kısma ile Dinamik Termal Yönetim (DTM)

Ayrıca akıllı telefonlar gibi küçük cihazlarda büyük CPU’lar yerine çip üzerinde sistem (System-on-Chip, SoC) dediğimiz farklı bir tasarım kullanılmakta. SoC dediğimiz entegre devrenin içinde sadece CPU ve GPU değil, daha birçok ihtiyaç duyulan bileşen bulunabilir. Yani tüm donanımlar tek bir yerde toplanırken birbiriyle uyum içinde hareket eden, oldukça verimli sistemler inşa ediliyor. Bundan birazdan daha detaylıca bahsedeceğiz.

Akıllı telefon termal yönetim tasarımında ilk kural; serin tutma işi iç kısımlardan başlar. Bir ARM çipindeki işlemci, bir akıllı telefondaki ana ısı kaynaklarından biridir. Sıcak noktalar güç sızıntılarına, performans kaybına ve nihayetinde çipin bozulmasına yol açabilir. Bir akıllı telefonun içine bir fan sığdıramasanız da, yüksek performanslı yükler sırasında ısı oluşumunu azaltmak için işlemci kısıtlama özelliğini kullanabilirsiniz. İşte bazı teknikler:

• Sıcaklığa Duyarlı Çizelgeleme: CPU aktivitesine ve cihazınızın içine yerleştirilmiş sıcaklık sensörlerinden gelen geri bildirimlere göre belirlenen sıcak işlemlerin yavaşlatılmasını içeren bir yazılım tekniği.
• Termal Yönetim: Dağıtılmış trafik azaltma olarak da bilinen teknik, sıcak noktalardan kaçınmak için yonga seti boyunca ağ trafiğini yönlendirme süreçlerini içeriyor. 3D güç yoğunluğu azaltılıyor ve ısıyı yonga setindeki ısı emiciye en yakın kalıba yönlendirmek için kullanılabiliyor.
• Saat Geçişi: Global saat geçişi, işlemci mantığının büyük bir kısmının bir seferde birkaç mikrosaniye için durdurulmasıyla bağlantılı. Önceki yazılım tekniklerine göre performansı daha fazla düşürebilir, ancak soğutma etkisi daha yüksektir.
• Dinamik Voltaj ve Frekans Ölçeklendirme (DVFS): DVFS, GPU ve CPU’nun frekanslarını ayarlayarak performans ve enerji tüketimini dengelemeye yarar. İşlemler yavaşlatılırken, işlemci çalışmaya devam eder ve sıcaklık hızla düşürülebilir.
• Etkinlik Geçişi: Bu teknik, genel güç yoğunluğunu azaltmak için çipin daha soğuk bölgelerindeki yedek birimler üzerinde hesaplamalar yapılmasını sağlamakta.

Malzeme Seçimi

Malzeme seçimi, akıllı telefon sıcaklıklarının düşük tutulmasında büyük bir etkiye sahip olabilir:

• Alüminyum/Bakır: Aşina olduğunuz bu materyaller, her yerde bulunmaları, bütünlükleri ve yüksek termal iletkenlikleri nedeniyle akıllı telefon tasarımında kullanılan oldukça standart malzemelerdir. Genellikle telefondaki PCB için destek olarak kullanılır. Alüminyum, hem estetik çekicilik hem de çevreye termal yayılımı kolaylaştırmak için kasayı ve kasanın kendisini oluşturmak için de kullanılabilir.
• Grafit/Grafen: Karbonun kristalin allotropu (aynı maddenin uzaydaki farklı yönelimleri), kurşun kalemden pil elektrotlarına kadar her şeyde kullanılmıştır. Mükemmel termal ve elektriksel özellikleri nedeniyle, akıllı telefonların bataryasında ve pasif soğutma sistemi olarak kullanılabileceği ısı dağıtıcı plakada yer alabilir. Grafen tek katmanlı (bir atom kalınlığında) bir grafit; bu da ona daha da iyi termal, elektriksel ve yapısal özellikler kazandırır (elmastan 40 kat daha güçlüdür).

Isı Dağılımı

Şimdi de akıllı telefon içinde ısıyı dağıtmak için kullanılan yapılara daha yakından bakalım.

• Isı Emiciler (Heat Sinks): Konvektif soğutma için kullanılabilir yüzey alanını artırmak için fanlar, pinler ve diğer geometri yönlerini kullanan pasif ısı değiştiriciler. Akıllı telefon mimarileri, fan eksikliği nedeniyle nadiren gerçek ısı alıcıları kullanır.
• Isı Dağıtıcılar (Heat Spreaders): Grafit gibi termal iletkenliği yüksek malzemeden yapılmış düz bir plaka, ısıyı PCB’den çekip akıllı telefonun dış kasasına (genellikle alüminyum) iletmek için kullanılır ve bu da ısıyı kasadan atmosfere iletir. Bu, çoğu modern akıllı telefon tasarımı için tercih edilen ısı dağıtma özelliği.
• Soğuk Plakalar: Akıllı telefonlarda aktif soğutma nadir de olsa mevcut. Grafen ısı dağıtıcılar halihazırda mükemmel pasif soğutma sağlamakta. Grafenden bir akım geçirdiğinizde bu ısı dağıtıcıyı termoelektrik soğutma yoluyla aktif bir soğuk plakaya dönüştürmek mümkün.
• Isı Boruları (Heat Pipes): Bir ısı dağıtıcıyı soğuk plakaya dönüştürmenin diğer bir yolu da ısı boruları kullanmaktan geçer. Pahalı olsa da, bu tasarım yüzeyler arasındaki ısı alışverişini artırmak için bir sıvının kullanıldığı endüstriyel ölçekli ısı eşanjörlerini yansıtır. Akıllı telefon içinde su gibi bir sıvı kullanmak çok tehlikeli olabilir. Ancak Samsung, S7, S8 ve S9 gibi cihazlarda suyla dolu bakır borular kullanmayı başardı.

Optimize Edilmiş Mobil Uygulamalar

Bu noktada kullanılan yazılımlar pek önemli değil gibi görünebilir, ancak enerji verimliliği açısından kıymetlidir. Çok kaynak tüketen zorlu oyun ve uygulamalar daha yüksek enerji tüketir. Ayrıca kötü yazılmış kodlar ve optimize olmayan yazılımlar da aynı şekilde. Eğer bir uygulama sürekli olarak ağa ping atıyorsa, sürekli olarak arka plan işlemlerinin uykudan uyanmasını gerektiriyorsa, cihazınızın daha fazla enerji kullanmasına neden oluyor demektir.

Tüm mobil uygulamalar bildiğiniz gibi binlerce satırlık kod parçalarından oluşur. Bu kod satırlarında optimizasyon diye bir şey var. Yaptırmak istediğiniz bir işi birkaç komut ile de yaptırabilirsiniz, satırlar dolusu kod ile de. Yazılım optimizasyonunun temeli böyle başlıyor.

Özetle mobil uygulama hazırlarken pil ömrü üzerindeki etkisi de hesaba katmanız gereken önemli bir faktör. Eğer bir uygulamayı çalıştırmak telefonun daha sık şarj edilmesine neden oluyorsa, bu kullanıcıları hemen rahatsız etmeye başlayacaktır. Geliştiriciler, uygulamaları enerji açısından verimli tutarak aktif soğutma ihtiyacını azaltabilir.

Pasif Soğutma

Fanlar bir aktif soğutma şeklidir. Akıllı telefonlar pasif soğutmaya, yani mekanik bileşenlerin yardımı olmadan yalnızca malzemeler arasındaki iletkenlik farkını kullanarak ısı alışverişi tekniğine dayanır. Daha basit bir ifadeyle, hiçbir şeyin hareket etmesine gerek kalmadan parçalar soğuyabilir.

Evi soğutmak için klimayı çalıştırmak aktif soğutma alanına girer. Bir pencereyi açık bırakmak ise pasif soğutmadır. Telefonlar genellikle ısıyı dağıtmak için elektrikli bileşenler arasında metal plakalar ve dış gövdelerinin tasarımını kullanır.

Pasif soğutma günlük kullanım için çok iyi çalışıyor diyebiliriz. Ancak aktif soğutmanın aksine, uzaklaştırılabilecek ısı miktarı üzerinde kontrol söz konusu değildir. Aktif soğutmada fan hızını artırarak bir şeyleri değiştirebilirsiniz. Pasif soğutmada ise bu mümkün değil.

Bu nedenle bazı telefonlar, oyun oynamak gibi yoğun işler gerçekleşirken aşırı fazla ısınabilir. SoC daha fazla ısı üretir ve fazla ısıyı dışarı atmak için yapılabilecek şeyler kısıtlıdır. Nihayetinde ise termal kısıtlama dediğimiz önlem mekanizmaları devreye girer, bileşenlere soğumaları için zaman kazandırmak amacıyla performans düşer.

Farklı Alternatifler

Tasarımların hepsi aynı olsa da bazı istisnalar da yok değil. Örneğin Lenovo Legion Phone Duel 2, iki farklı soğutma fanı taşıyan eşsiz bir modeldi.

Öte yandan, akıllı telefon üreticileri, yoğun yükler sırasında cihazı soğutabilmek içni değişik seçenekler de arıyor. Başka bir örnek olarak, Samsung Galaxy S23 serisi buhar odası soğutma sistemlerini kullandı. Bu sistem, elektrikli bileşenleri soğutmak için bir sıvının buharlaşmasını ve yoğunlaşmasını sağlayan bir buhar odası tasarımına sahip. Daha da geriye gitmek isterseniz, Galaxy Note 9’da su karbon soğutma sistemi vardı.

Tabiri caizse fanlar hem bir nimet hem de bir problem. Dahil edilen sistemler daha hantal, daha gürültülü ve daha kırılgan hale geliyor. Bunun yanında, aynı zamanda sistemin daha serin çalışmasını ve daha güçlü olmasını da sağlıyor. Fanları olsaydı akıllı telefonlar daha güçlü olabilirdi, ancak telefonları harika yapan birçok özellik de ortadan kaybolurdu.

SoC Nedir?

Birden fazla elektronik sistemi tek bir çipe entegre etmek için tek bir çipte çözüm sağlayan SoC, modern elektroniğin önemli bir etkeni. Çip üzerinde sistem dediğimizde aslında tek bir parça halindeki yonga bütününden, diğer bir tabirle işlemciden bahsediyoruz. Ancak bu entegre devrenin içerisinde işlemci (CPU), grafik işleme birimi (entegre GPU), mikrokontrolcü, çevresel kontrolcüler (USB, depolama için), bellek, giriş/çıkış (I/O) bağlantı noktaları, özel sinir ağı devresi ve radyo modemleri (Bluetooth veya Wi-Fi için) gibi birçok ayrı bileşen yer alabilir.

Başka bir deyişle, SoC dediğimiz işlemle bunların hepsi tek bir tabakada tutuluyor. Tüm bu bileşenlerin tek bir alt tabaka üzerinde bulunması, SoC’lerin daha az güç kullanması ve çok çipli muadillerine göre daha az yer kaplamasına olanak sağlıyor. SoC’ler Nesnelerin İnterneti (Internet of Things-IoT) ve mobil bilişimin büyümesiyle giderek daha popüler hale geliyor.

İşlemci çipin “beynidir”, talimatları yürütmekten ve hesaplamaları yapmaktan sorumludur. Bellek, işlemcinin erişmesi için verileri ve talimatları depolar. Giriş/çıkış arabirimleri çipin sensörler, ekranlar veya diğer çipler gibi diğer bileşenler veya cihazlarla iletişim kurmasını sağlar. Grafikler bildiğiniz gibi görüntü çıkışından sorumlu. Modemler Wi-Fi ve Bluetooth bağlantılarını yönetiyor. İşte tüm bu işlevlerin yekpare küçük bir yongada yapıldığını düşünün.

Özetleyecek olursak SoC, bilgisayarın veya diğer elektronik sistemin gerekli tüm bileşenlerini tek bir çip üzerine entegre eden bir mikroçip türünü ifade ediyor. Kullanım alanı ise oldukça yaygın. Her şeyi bir arada toplayan bu sistemler başta akıllı telefonlar, tabletler, IoT cihazlar olmak üzere Nintendo Switch, PlayStation ve Xbox gibi konsollar, Raspberry Pi bilgisayarlar, Arduino kartları ve STEM kitleri gibi birçok cihazda kendine yer buluyor. Ayrıca SoC türünde işlemcilere sahip dizüstü bilgisayarların sayısı da her geçen dün artıyor.

SoC’nin Avantajı Ne?

Bir SoC’nin en önemli avantajı kompakt boyutu ve verimliliğidir. Birden fazla bileşenin tek bir çip üzerine entegre edilmesiyle ortaya çıkan cihaz, ayrı bileşenlere sahip geleneksel bir devre kartından çok daha küçük olabilir ve daha az güç tüketebilir.

Bunun aksine, geleneksel devre kartları genellikle ayrı işlemciler, bellek yongaları ve giriş/çıkış arayüzleri gibi kablolama veya başka yollarla fiziksel olarak bağlanması gereken birden fazla bileşen gerektirir. Bu da ortaya çıkan cihazı daha büyük, daha az verimli ve hata/arızalara daha yatkın hale getirebilir.

Genel olarak SoC’ler, elektronik cihazların tasarlanma ve üretilme şeklini dönüştüren güçlü ve çok yönlü bir teknoloji. Birden fazla bileşen tek bir çip üzerine entegre edildiğinde yalnızca alan küçülmüyor, aslında teknoloji dünyası daha fazla inovasyona teşvik ediliyor. Mühendisler elektronik dünyasında mümkün olanın sınırlarını zorlamaya devam ediyor.