CPU’nun İçi Nasıl Görünür? İşlemcinin İçinde Neler Var?

Bizler son tüketiciler olarak her zaman CPU ve GPU gibi donanımların dış kısmıyla haşır neşir oluyoruz. Dış kısmından kastımız, her çipin dışına yerleştirilen bir entegre ısı yayıcı (IHS) var. Peki bir işlemcinin iç kısmı nasıl görünüyor diye hiç düşündünüz mü?

Gelişmiş çiplerin içinde birbiriyle iletişim halinde olan, birçok farklı işe hizmet eden farklı birimler bulunur. Bu birimler de bildiğiniz üzere milyonlarca ve hatta bazen milyarlarca transistörden meydana gelir. Uzun lafın kısası, çipler oldukça komplike devreler. Biz de merak edenler için işlemcinin iç yapısını biraz inceleyelim istedik.

CPU’ların inanılmaz detaylı ve yüksek çözünürlüklü kalıp fotoğraflarını çeken Fritzchens Fritz, bu kez de bir Lunar Lake işlemciyi mercek altına yatırdı. Hatırlarsanız Intel, Lunar Lake ailesiyle birlikte çok farklı bir mimari tasarıma geçmişti. x86 tabanlı bu çipler ARM tabanlı alternatiflere daha çok benziyor.

Lunar Lake Mercek Altında: Bir İşlemci Nasıl Görünür?

Arrow Lake ile aynı çekirdek mikro mimarileri ve işlem teknolojisini paylaşmasına rağmen Intel, Lunar Lake ile tamamen farklı bir geliştirme yaklaşımı benimsemişti. TSMC N3B fabrikasyon teknolojisiyle geliştirilen Compute Tile (Hesaplama Birimi), P-Core dediğimiz ana performans çekirdeklerini (Lion Cove) ve E-Core verimlilik çekirdeklerini (Skymont) barındırıyor. Ayrıca önbellekler de bu kısımda. Her P-Core başına 2,5 MB özel L2 önbelleğin yanı sıra dört çekirdeğin paylaştığı 12 MB L3 önbellek havuzu mevcut.

Arrow Lake’in aksine, Lunar Lake’de Skymont tabanlı verimlilik çekirdeği kümesi aynı L3 önbellek havuzunu paylaşmıyor. Bunun yerine, kendi özel L2 önbelleğine (4 MB) sahip bir “Low Power Island (Düşük Güç Adası)” üzerine inşa edilmiş. Skymont verimlilik çekirdeklerinin yanında, toplam 48 TOPS’luk yapay zeka performansı sunabilen NPU (Neural Processing Unit, Sinirsel İşleme Birimi) yer almakta. NPU, belirtilen performansı sağlamak için altı NCE’den (Neural Compute Engines, Sinirsel Hesaplama Motorları) yararlanıyor.

İşlemcinin ana merkezi Compute Tile denilen yer diyebiliriz. Compute Tile aynı zamanda sekiz adede kadar Xe2-LPG çekirdeğine sahip Battlemage tabanlı entegre bir GPU’ya ve Medya Motoru’na da (Media Engine) ev sahipliği yapıyor. Intel, mobil SoC’lerinde ARM tasarımına benzer farklı bir yaklaşım daha benimsemişti: Bellek kontrolcüsünün yanına 8 MB’lık bir System-Level-Cache (SLC) eklediler. Sistem düzeyindeki önbellek CPU çekirdekleri, entegre GPU, NPU ve Media Engine arasında paylaştırılıyor. Entegrasyonu daha da sıkılaştırmak ve gecikmeyi azaltmak için bellek fiziksel katmanı doğrudan Compute Tile’ın üzerinde, SoC’nin ana belleği olarak işlev gören iki adet paket üstü, lehimli ve yükseltilemeyen LPDDR5x-8533 IC’nin (16 GB veya 32 GB) hemen altında yer alıyor.

Çip üreticisi, tasarımlarında ayrı birimleri “Tile” olarak adlandırıyor. Tile fayans, kiremit, karo ve tuğla gibi anlamlara gelmekte. Nasıl fayans ve tuğlalar birbiri ardına birleşik şekilde konumlandırılıyorsa, işlemcinin içindeki irili ufaklı bölümler de benzer şekilde yan yana konumlandırılmakta.

Hesaplama Birimi’nin altında TSMC’nin N6 sürecine dayanan Platform Controller Tile (Platform Kontrolcü Yongası-birimi) bulunuyor. Platform Kontrolcü Yongası’nı giriş/çıkış kontrol yongası olarak düşünebiliriz. Bu yongacık, USB, Thunderbolt ve PCIe 4.0/5.0 arayüzlerinin yanı sıra Bluetooth ve Wi-FI bağlantısı gibi önemli bağlantı bileşenlerini içeriyor. İç kısımdaki tüm bu birimler, Intel’in Foveros 3D paketleme teknolojisi ile birbirine bağlanan 22FFL tabanlı aktif bir interpozer üzerinde barındırılıyor.

Biraz önce de bahsettiğimiz gibi, Lunar Lake işlemcilerin derinlerinde farklı üretim teknolojileri kullanılabiliyor. Bu üretim teknolojileri çip tasarımına göre değişebilir. Lunar Lake özelinde TSMC N3B ve TSMC N6 gibi farklı teknikler görüyoruz. Mesela AMD’nin Ryzen işlemcilerinde ise çekirdeklerin bulunduğu alanlar ayrı, I/O kontrolcüsü ayrı bir üretim tekniğine dayanıyordu.

Şaşırtıcı bir şekilde Intel, CPU, GPU ve NPU’yu barındıran bilgi işlem kalıbı için yönünü TSMC’ye çevirdi, 3nm (N3B) işlem teknolojilerini kullandı. Bildiğiniz üzere Intel kendi çiplerini üretebilen bir şirket. Ayrıca harici I/O arayüzlerini barındıran kontrolcü platform kalıbı için yine TSMC’nin 6nm (N6) teknolojisini kullandılar. Çip üzerinde Intel tarafından üretilen tek silikon ise yonga kalıpları ve ana sistem arasındaki iletişimi kolaylaştıran pasif 22FFL Foveros temel sistem yongası. Intel, çipleri tasarlamaya başladıklarında TSMC çözümlerinin mevcuttaki en seçenek olduğunu söylüyor. Yani demek istiyorlar ki başka seçenek yoktu. Mavi devin dört yıl içinde beş ayrı işlem teknolojisi aracılığıyla dökümhane tarafındaki liderliğini yeniden kazanma gibi bir hedefi vardı.

Lunar Lake mimarisi, paket üzerinde bellek (memory-on-package, MoP) teknolojileri de dahil olmak üzere gelişmiş bağlantı ve paketleme teknolojileriyle desteklenmekte. Intel Core Ultra Lunar Lake artık bir CPU değil, her şeyiyle bir SoC’e (system on a chip) tasarımına dönüşmüştü.

Lunar Lake ile Intel, SoC’in dört temel bileşeninin tümünün mikro mimarisini güncelledi: CPU işlem kompleksi iki yeni nesil CPU çekirdeği sunuyor; entegre grafikler (iGPU) yeni bir grafik mimarisiyle geliyor; ve NPU, Copilot+ AI PC gereksinimlerini karşılamak için hem güncellendi hem de güçlendirildi. Bunların yanı sıra Intel’in silikon üzerinde yaptığı birçok güncelleme var. Paket üzerinde bellek tasarımına geçiş yapıldı ve bu radikal bir karar oldu. Tıpkı Apple M3 ve Qualcomm Snapdragon X Elite gibi çiplerde olduğu gibi.

Bir Başka Örnek: Zen 3 Mimarisi Nasıl Görünüyor?

Yine aynı isim, Fritzchens Fritz, yaklaşık 549 dolarını çöpe atmayı göze alarak Ryzen 5 5600X’i parçalarına ayırmıştı.

Bir Ryzen işlemcinin iç kısmı işte böyle görünüyor. Ayrıntılı görsellere baktığınızda ise sekiz Zen 3 çekirdeğini barındıran CCD (Core Compute Die) ve I/O kalıbını görebilirsiniz. Ryzen 5 5600X 6 çekirdekli bir CPU olduğundan, tek bir CCD kullanılıyor ve 8 çekirdeğin ikisi devre dışı bırakılmış halde geliyor.

Zen 2’de her bir Zen CCD’si iki CCX’den (Çekirdek Kompleksi) oluşuyordu. Zen 3’te ise tam aksine, CCD tek iş parçacığı modunda (1T) veya tek iş parçacığı modunda çalışabilen 8 çekirdek içeren tek bir CCX’den oluşuyor. İşlemci maksimum iki adet CCD içerdiğinden, çekirdek sayısı amiral gemisi Ryzen 9 3950X’de olduğu gibi maksimum 16’ya çıkabiliyor.

Zen 2 ve Zen 3 mimarileri, çok kalıplı (çok yongalı-chiplet) bir sistem üzerinde çalışıyor. Çekirdekler ve önbellek CCD adı verilen bir bölüm içerisinde konumlanırken, I/O ve CCD’ler arasındaki iletişim Infinity Fabric aracılığıyla yönetiliyor.

Çok yongalı tasarım, her bölüm için farklı bir üretim teknolojisinin kullanılmasına izin veriyor ve bu da CPU üretimi açısından daha verimli bir yol. Örneğin çekirdeklerin yer aldığı CCD’ler TSMC’nin 7nm nodunu kullanıyor. I/O birimleri ise GlobalFoundries’in daha eski 12nm üretimi üzerine inşa ediliyor. Doğal olarak bu üretim yaklaşımıyla maliyet daha düşük tutulabiliyor.

AMD Zen 3 Ryzen 5000 Tam CCD Yapısı

48 Çekirdekli Rus Üretimi İşlemci Örneği: Baikal-S BE-S1000

İşlemci tasarımlarına olan ilgisiyle bilinen Fritzchens Fritz, Rus merkezli Baikal Electronics’in 48 çekirdekli Baikal-S BE-S1000 sunucu işlemcilerinden birini inceledi. Kızılötesi mikroskopla incelenen işlemcinin yakın çekim fotoğraflarını ve Locuza tarafından işaretlenen CPU birimlerini aşağıda görebilirsiniz.

Baikal Electronics’in Arm Cortex-A75 çekirdeğine dayalı işlemcilerine daha önce göz atmıştık. TSMC’nin 16nm işleminde üretilen Baikal-S BE-S1000, 2.0 GHz bazında çalışan 48 Arm Cortex-A75 çekirdeğine ve 2.5 GHz boost frekansına sahip. Rus şirket, bu işlemcilerin Intel Skylake Xeon veya Zen 1 AMD EPYC işlemcilerle karşılaştırılabilir bir performans vaat ediyordu. Bu özel üretim yongalarda ayrıca Rus üretimi RISC-V çekirdeklerin kullanıldığını belirtelim.

Baikal-S BE-S1000 SoC, tek işlemcili, 2 yollu ve 4 yollu simetrik çok işlemcili (SMP) konfigürasyonlarda çalışmak üzere FCLGA-3467 paketinde geliyor. İşlemcinin güç tüketimi yaklaşık 120W, bu nedenle üstün soğutma sistemlerine ihtiyaç yok. Mercek altına giren işlemcinin kalıp boyutu, NVIDIA’nın AD102 GPU’suna çok yakın (607 mm²) boyutlarda.

Sizin Gördüğünüz Kısım: İşlemcilerde IHS Nedir?

Son haline gelmeden önce çok sayıda işlemden geçen çipler, milyonlarca ve bazen milyarlarca transistör içerebiliyor. Yarı iletken tasarımının ne kadar zor süreçlerden geçtiğini hepimiz biliyoruz. Biz CPU veya GPU gibi donanımlara dışardan baktığımızda aslında tek bir parça halinde yekpare bir tasarım görüyoruz. Ancak gördüğümüz aslında sadece bir entegre ısı yayıcı, yani IHS (integrated heat spreader). Peki nedir bu IHS denilen şey?

CPU ve GPU’nun yanı sıra, kullandığımız cihazlarda kullanılan çiplerin neredeyse hepsi bir entegre ısı dağıtıcıyla kaplıdır. Bu küçük metal parçası çok basit bir şey gibi görünebilir, ancak çipler için hayat önem taşıyor. Ortaya çıkan ısıyı etrafa yaymakla kalmaz, yongayı korur ve bütünlüğünü sağlıyor.

Entegre ısı dağıtıcı anlamına gelen IHS, en basit tabirle işlemcinin metal dış kapağıdır. Hem işlemci silikonu etrafında koruyucu bir kabuk hem de CPU ile CPU soğutucunuz arasında ısı alışverişi sağlayan bir aracı görevi görür.

Geliştirilen ilk işlemciler tümleşik ısı yayıcılarla gönderilmiyordu ve başa çıkılamayacak kadar sıcak çalışıyordu. Bir soğutucuyu doğrudan CPU üzerine monte etmek büyük riskti zira çok baskı uygulandığında çip çöp olabiliyordu. Baskı çok hafif olduğunda ise silikon yongalar alev topuna dönüyordu. Bu işe bir hal çare lazımdı, sonrasında metal ısı yayıcılar devreye girdi.

İşlemci çekirdeğinin kendisi işlemcinin kendisine nispeten oldukça küçük bildiğiniz üzere. Diğer taraftan yeni nesil işlemcilerde kullanılan transistör sayısı bir hayli fazla. Üretim teknolojileri geliştikçe ve transistörler küçüldükçe, çiplerin tasarımı da daha karmaşık hal almaya başladı. Çok sayıda çekirdeğin yanı sıra bileşenler iç içe geçti, böylelikle oluşan ısı da oldukça küçük bir alanda yoğunlaşmaya başladı.

Özetle IHS’ler basit şekilde oyunu değiştirdi. CPU tarafından üretilen ısıyı yüzeyi boyunca eşit olarak etrafa yayan ısı dağıtıcılar basit gibi görünse de işlevsellik açısından çok başarılı. Isı tek bir noktada yoğunlaşmak yerine dağıtılıyor. Bu arada şirkete bağlı olarak çip ile IHS arasına farklı termal malzemeler uygulanabiliyor. Dışa bakan yüzeye ise bildiğiniz üzere termal macun sürüyoruz. Termal macun, IHS’den alınan ısıyı üst kısma taktığımız soğutucuya iletiyor. Üretilen sıcaklık nihayetinde dışarı atılmış oluyor. Entegre ısı dağıtıcıların faydalarına kısaca bakacak olursak:

• Eşit Isı Dağılımı: IHS, ısıyı eşit bir şekilde yayarak çiplerin tamamen ısınmasını engelliyor. Böylelikle işlemcinin içindeki hiçbir parça kullanılmayacak seviyelerde sıcaklığa ulaşmıyor.
• Koruma: Tabiri caizse için bir kask gibi. Hassas silikonu kazara oluşabilecek darbelerden koruyan sert bir yapısı var.
• Daha İyi Soğutma: Bir IHS ile soğutma çözümünüz, iyi yalıtılmış bir evdeki termostat gibi işini daha etkili bir şekilde yapabilir.
• Çipe Estetik Katıyor: Doğrusu işlemciler tümleşik ısı yayıcılar ile estetik açıdan daha iyi görünüyor.

Bazı overclock ustaları, işlemcilerinin stok IHS’sini çıkarmak ve daha da iletken bir malzeme ile değiştirmek için “delid” adı verilen bir işlem yapmakta. Bu işlem doğrusu biraz zor ve riskli. Bununla birlikte, IHS ne kadar iyi olursa olsun her zaman bir soğutucu kullanılması şart.