BİLGİSAYAR DONANIM TEKNOLOJİSİNDE GELİŞMELER

Güney Gönenç

ELEKTRİK MÜHENDtSLtĞt 240

ÖZET

Bu yazıda bilgisayar donanım teknolojisindeki ye ni gelişmeler kısaca verilmiştir. Yarıiletken teknolojisinde geniş çapta tümleşimin getirdiği olanaklar üzerinde durulmuş, geniş çapta tümleşik devre tekniklerinden tranzistor tranzistor mantı ğı (TTL), yayıcıdan bağlaşık mantık (ECL), içi timli mantık (III.), p kanallı ve n kanallı metal oksit yarıiletken (pMOS, nMOS), tümler metal ok sit yarı iletken (CMOS) teknikleri çeşitli özel likleri yönünden kısaca incelenmiş ve karşılaştı rılmıştır. Mikroişlemciler alanındaki gelişmeler üzerinde durulmuş, çeşitli mikroişlemcilerin özellikleri belirtilmiş, gelecekteki uygulama olanakları gözden geçirilmiştir. Ayrıca yarıilet ken, kabarcıklı, elektron demetli, yük bağlaşım lı belleklerdeki gelişmeler verilmiş, giriş çıkış birimlerindeki yenilikler üzerinde durulmuştur.

SUMMARY

The article reviews briefly the recent develop ments in computer hardware technology. The new possibilities brought forth by large scale in tegration in semiconductor technology are empha sized, and in particular TTL, ECL, I^L, pMOS, ^ nMOS and CMOS technigues are investigated and compared. Developments in the microprocessor area are also dealt with, properties of various microprocessors are discussed and future possi bilities in their use are previeved. Also, the new developments in semiconductor, bubble, electron beam and charge coupled memories are given together with the development in I/O units.

Güney Gönenç, Y.Prof .Dr., ODTÜ

1. YARIİLETKEN TEKNOLOJİSİ

Tümleşik devrelerin tek tek tranzistorlarla kuru lu devrelere göre çok önemli üstünlükleri (boyut larda önemli ölçüde küçülme, ucuzluk, yüksek ça lışma hızları, t e l l e yapılacak bağlantılarda azal ma, arızalara karşı yüksek güvenilirlik) hızla yaygınlaşmalarına yol a ç t ı . Önceleri birkaç dev renin bir yonga üzerinde gerçekleştirilmesiyle kü çük çapta tümleşik devreler (small scale integra tion, SSI) yapılıyordu, örneğin bir paket (packa ge) içinde birkaç VE g e ç i t i gibi. Sonradan daha çok sayıda (10 100 arasında) geçit içeren ve be l i r l i bir i ş l e v i tümüyle gerçekleştiren orta çap ta tümleşik devreler (medium scale integratian, M.SI) ortaya ç ı k t ı . Örneğin bir toplayıcı (adder) devresi, bir kodlayıcı (encoder), kod çözücü (decoder) yada çoklayıcı (multiplexer) devresi gibi. Tümleşim'in sınırları giderek genişledi. Günümüzde bir kaç b:ln geçit devresi bir tek paket içinde, bir yonga (c hip) üzerinde gerçekleştiri lebiliyor. Böyle devrelere geniş çapta tümleşik (large scale integrated, LSI) diyoruz. Örneğin te mel ve yardımcı işlevleri içeren bir birikeç. (ac cumulatos) yada merkezi işlem birimi (central processing unit) böyle bir tümleşik devre olarak gerçekleştirilebiliyor. Geniş çapta tümleşimle bo yut küçülmesi, maliyet azalması, güvenilirlikte artma önemli ölçülere varmış oluyor.

Tümleşik devrelerin oluşturulmasında kullanılan yarıiletken teknikleri çok çeşitlidir. Bunları genel olarak ç i f t t a ş ı y ı c ı l ı (bipolar) tranzistor teknolojisi ve met al oksit yarıiletken (MOY) tü rü alan e t k i l i traazistor teknolojisi olarak iki kümeye ayırabiliriz. Bu kümelere giren ç e ş i t l i tekniklerin genel iîzelliklerini kısaca sıralaya lım.

I. Çifttaşıyıcılı tranzis tor teknolojisi a) Tranzistbr tranzistor mantığı (TTM) (transis tor transistor l.ogic, TTL)

Bugün için en alınılmış tekniktir. Genellikle or ta çapta tümleşirade kullanılır. Ucuzdur. Geçit başına gecikmeleri düşüktür, bu nedenle h ı z l ı uy gulamalarda kul7ıanılır. Buna karşılık yoğunluğu ( b e l i r l i alana sığdırılabilen geçit s a y ı s ı ) dü şük, güç harcanması yüksek, yapım süreci karmaşık t ı r . Yaygın biçimde kullanılan 7400, 9300 d i z i l e rini bu türün orta çapta tümleşimdeki uygulaması na örnek olar.ak verebiliriz. Son zamanlarda ge l i ş t i r i l e n Sc;hottky türü tranz.istor tranzistor mantığıyla gerçekleştirilen tümleşik devrelerde yoğunluk arttırılarak bir yongaya birkaç yüz ge çîtin yerleştirildiği devreler yapılmış, geçit başına güç Harcaması 10 mW tan 1 2 mW' a düşürül müş, gecikmeler, geçi t başına 10 ns den 4 5 ns ye indirilmiştir. Geniş çapta tümleşimde daha çok bellek yaprunında kullanılmaktadır. Şekil la'da tipik bir TTM 2 g i r i ş l i VEDEĞÎL geçidinin (7400) devresi görülmektedir.

b) Yayıcıdan bağlaşık mantık (YBM) (emitter coup led logic, ECL)

Güç harcamaları fazla, yoğunlukları küçük olmak la birlikte en hızlı devreler bu teknikle yapıl maktadır. Geçit başına gecikmeler 1 ns nin altın dadır. Bir yongada birkaç yüz geçit gerçekleşti rilebilmektedir. Yüksek hızlarından dolayı gele ceğin büyük bilgisayarlarında kullanılacak geniş çapta tümleşik devreler bu türden olacaktır. Şe k i l lc'de tipik bir yayıcı kavramalı 2 g i r i ş l i YADA/YADADEĞİL geçidinin devresi görülmektedir.

c) İçitimli mantık (İM) (integrated injection logic, I İL)

Son yıllarda Hollanda ve Federal Almanya'da ger çekleştirilen bu teknikte devredeki dirençler tün den yok edilmiştir, ayrıca biri pnp öteki npn türü iki tranzistor pnp türü tranzistorun topla y ı c ı s ı (collector) npn türü tranzistorun tabanı (base) i l e , pnp türü tranzistorun tabanı npn türt tranzistorun yayıcısı i l e aynı alanı paylaşmak yoluyla bir tür süper tümleşim sağlanmış, böylece yoğunluk mm2 ye 200 geçitin üstüne çıkarılabilmiş t i r , bir yonga üstünde 10 000 e kadar geçit oluş turmak olanaklıdır. Yüksek çalışma hızları (geçit başına 5 ns gecikme) yanında çok düşük güç harca ması gerçekleştirilmiştir. Bu tekniğin önemli özelliklerinden biri IV gibi düşük kaynak geri limi i l e çalışmaya olanak sağlamasıdır. Bir başka önemli özellik de sayısal ve örneksel devrelerin bir yonga üzerinde birlikte gerçekleştirilmesi olanağı olarak ortaya çıkmaktadır. Yakın bir ge lecekte; çok yüksek çalışma hızları (bu alanda yayıcıdan bağlaşık mantık YBM öndedir), bekleme (standüy) konumunda hemen nenen hiç akım çekmeme (bu konuda tümler metal oksit yarıiletken, TMOY, öndedir) ve yavaş fakat çok ucuz olma (bu konuda p metal oksit yarıiletken, pMOY, öndedir) gibi özel alanların dışında tüm bilgisayar teknoloji sinde kullanılacak tümleşim tekniğinin içitimli mantık olacağı söylenebilir. Şekil ld'de tipik, bir i ç i t i m l i mantık evirici (inverter) geçitinin temel devresi görülmektedir.

Çeşitli yapımcı firmalar içitimli mantık tekniği ne yenilikler ve gelişmeler getirmişlerdir, so nuçta bu türün en azından 5 6 alttürü ortaya çık mıştır.

Ç i f t t a ş ı y ı c ı l ı tranzistor tekniğine dayanan baş ka tümleşik devre türleri varsa da onları anmaya cağız.

II. Metal oksit yarıiletken tekniği

Geniş çapta tümleşimde ö z e l l i k l e kullanılan bir tranzistor türü alan e t k i l i tranzistordur (field effect transistor, FET). Geçit elektrodunun alü minyum yada silisyumdan yapıldığı ve yarıiletken alttaş'tan (svbstrate) bir silisyum dioksit kat manıyla ayrıldığı metal oksit yarıiletken (MOY) (metal oxide semiconductor, MOS) tekniği, tümle şik devrelerde kullanılan alan e t k i l i tranzistor lar için hemen hemen standatt hale gelmiştir. Alttaş'm türüne göre p kanallı (pMOY) yada n kanallı (nMOY) türleri vardır.

BLBKTRÎK MUHEKDİSLİĞt 240

(AB)'

U)

a. Tranzistor tranzistor mantığı. İki gi'rişli bir VE DEĞ İL (NAND) geçi t i devresi, (örneğin 7400, böyle dört geçiti içeren bir tümleşik devredir.)

b. Dört tane TTM iki girişli VEDEĞİL geçiti içeren 7400 tümleşik devresinin paket boyutları (mm).

c. Yayıcıdan bağla şık mantık. İki gi rişli bir YADA YADA DEĞİL (OR NOR) ge çiti devresi.

d. İçitimli mantık. Evirici (inverter) devresi.

1,175 V

1 5,2 V

(c)

W

Şekil 1.

Çifttaşıyıcılı tranzistor tekniğine dayanan tümleşik devrelere örnekler.

a) p kanallı metal oksit yarıiletken (pMOY) tek niği

Geniş çapta tümleşik işlemciler (mikroişlemciler) ilk kez 1971'de hesaplayıcılarda (calculator) kullanılmak Üzere p kanallı metal oksit yarıilet ken tekniğine göre yapıldı. Bu tür devreler çok yavaş çalışırlar (geçit başına gecikme 100 ns i l e 100 ys arasında olabilir), buna karşılık güç harcamaları düşüktür, m2 ye 200 geçit sığabile cek derecede yoğun olarak gerçekleştirilebilir. Hızlarının düşük olması yüzünden bugün ancak he saplayicılardaki geniş çapta tümleşik devrelerde kullanılmaktadır. Şekil 2a'da tipik bir pMOY YADADEĞİL geçitinin devresi görülmektedir.

b) n kanallı metal oksit yarıiletken (nMOY) tek niği p kanallılara göre 2 3 kez daha hızlıdır. 19711 deki p kanallı birinci kuşak mikroişlemcilerden (örneğin Intel 4004, 8008) sonraki ikinci kuşak mikroişlemciler (örneğin 8080) gerçekleştirildi. Son zamanlarda yalnızca +5 Volt kaynak gerilimiy le çalışanları yapıldı. Genellikle düşük maliyet gereken yerlerde kullanılmaktadır.

c) Tümler metal oksit yarıiletken (TMOY) tekniği (Complementary MOS, CMOS)

Tümler (biri p kanallı, öteki n kanallı) tranzis torlar kullanılarak gerçekleştirilen bu devreler, bütün öteki tümleşik devrelere göre duruk (static) durumda en az güç harcayan (nanovatt aşamasında) devrelerdir. Bu tür devrelerin gürültü bağışıklı

E

o(A fB)1 (a) o+E

AO

• «(A B1)1 (b)

Şekil

2. Metal oksit yarıiletken (MOY) tekniğine dayanan tümleşik devrelere iki örnek.

a. p kanallı MOY (pMOY), iki girişli YADA DEÖÎL (NOR) geçiti. Üstteki tranzistor direnç görevindedir.

b. Tümler MOY (TMOY) bir engelleme (inhibit) geçiti.

ELEKTRtK MÜHENDİSLİĞİ 240

ğı (noise immunity) da çok yüksektir. Özellikle duruk gücün küçük olması istenen uygulamalarda önemli kullanım yeri bulmaktadır, havacılık, uzay uygulamaları gibi. Bu tür devrelerin çalışma hız ları, yoğunlukları gök yakut (safir) yada lal ta şı (spinel) üstünde silisyum alttaş kullanarak (sapphire on silicon, spinel on silicon, SOS) yükseltilmektedir, ancak bu kez maliyet yüksel mektedir. Şekil 2b'de bir TMOY engelleme geçiti nin (inhibit gate) devresi görülmektedir.

Çeşitli yapım tekniklerinin temel özellikleri Çi zelge l'de gösterilmiştir. Bu özelliklerin karşı laştırılması açısından Şekil 3 ve Şekil 4 yararlı olacaktır. Şekil 3'te gecikme ve bir yongaya yer leştirilebilen geçit sayıları açısından çeşitli teknikler karşılaştırılmaktadır. Şekil 4'te ge cikme ve güç harcaması bakımından karşılaştırma yapılmaktadır. Bir yongadan birim zamanda yayıla bilecek ısı enerjisi sınırlı olduğundan, yongada harcanabilecek güç de sınırlıdır (1 W dolayında), bu nedenle geçit başına harcanan güçle bir yonga ya yerleştirilebilecek geçit sayısı birbirleriyle ters orantılıdır. Örneğin, geçit başına güç harca ması en büyük olan yayıcıdan bağlaşık mantık tek

niği aynı zamanda yoğunluğu en düşük olan teknik t i r (Şekil 3 ve 4). Yonga başına öğe sayısı, ay rıca (optik nedenlerden) kabaca 20 milyon gibi bir sayıyla sınırlıdır. Tümleşik devrelerin fiyatları ilk ortaya çıktık larından bu yana geçen 10 y ı l içinde (geçit başı na hesaplandığında) 100 kattan fazla düşmüştür (Şekil 5). Geleneksel olarak ç i f t t a ş ı y ı c ı l ı tüm leşik devreler için geçit başına fiyat MOY'lara

10 ,

Yapım teknolojisi

Yoğunluk, mm2 de geçit sayısı

pHOY (pMOS)

nHOY inMOS)

130 200 200 250

TMOY :CMOS)

. TİM (TTL)

50 150 25 75

YBM İECL)

İM (XII.)

3 0 7 5 250 4Ü0

Bir yongaya yer leştirilebilen geçit sayısı

100 5 0 0 1000 3000 500

1000 30C 2000 80 500 200

Geçit basına gecikme, ns

> 100

40 100 15 50

3 10 0,5 2

1 100

Duruk durumda güç, geçit basına, mU

0,2 0 , 5 <0.001

5 15

<0.2

Hız güç çarpımı, pj 200

10 50

<1

Çizelge 1. Geniş çapta tümleşimde en çok kullanı lan tekniklerin başlıca özellikleri.

nMOY \

/\

/

>

s a f i r TMOY ı ıS

1 0 " 4 İ O ' 3 1 O " 2 İO"1 1 10 1 0 2 geçit basına harcanan gUc, mW

Şekil 4. Çeşitli tümleşik devre yapım teknikleri nin geçit başına harcanan güç ve geçit başına gecikme yönlerinden karşılaş tırılması. Eğik doğrular eş gecikme güç çarpımı eğrileridir, çarpımın değeri pikojül olarak belirtilmiştir.

1700 KCT oCT

İM , TTM j/f^\ I / pMOY

10'

TMOY

l^Y BM

'o 0,1

geçit gecikmesi, ns.

l »> 1000

Şekil 3. Çeşitli tümleşik devre yapım teknikleri nin geçit başına gecikme ve bir yongaya yerleştirilebilen geçit sayızı yönlerin den karşılaştırılması. Gösterilen sınır lar kesin değildir.

1.7

vı 1 lar

Şekil 5. Tümleşik devrelerin fiyatlarında yıllar

boyunca görülen düşme. Görüldüğü gibi

küçük çapta tümleşimden (KÇT) orta çap

ta tümleşime (OÇT) ondan da geniş çapta

tümleşime (GÇT) geçildikçe geçit başına

düşen fiyatlar on yıl içinde 100 kat

azalmıştır. İçitimli mantık (İM) tekni

ğinin kullanılmasıyla çif ttaşıyıcılı

(hızlı) tümleşik devre fiyatları MOY

devre fiyatlarına yaklaşacak ve geçit

başına fiyat 1980'de 1 kuruşun altına

düşecektir (1 dolar = 17 TL alınmıştır).

ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 240,

göre 20 kat kadar yüksekken, en son geliştirilen içitimli mantık (İM) bu fiyat farkını önümüzdeki 3 4 yıl içinde kapatacak gibi görünüyor. Böylesi ne bir ucuzlama ( ç i f t t a ş ı y ı c ı l ı tranzistorların h ı z l ı çalışma özelliğini de gözönünde tutarsak) tümleşik devrelerin kullanımı bakımından.sınırsız denebilecek olanaklar yaratacaktır. Örneğin geçit başına 17 kuruşluk (1 sent) fiyat üzerinden düşü nürsek, tüm işlevleriyle 16 b i t ' l i k sözcük uzun luklu, 32 K sözcüklük bellekli bir minibilgisa yarın maliyetini çok kaba olarak şöyle çıkarabi l i r i z : 16 b i t ' l i k işlem birimi (kabaca 6000 ge ç i t ) : 1000 TL; giriş/çıkış devreleri (kabaca 1000 geçit): 170 TL; bellek (bit başına 1,7 ku ruş alırsak): 4400 TL, toplam donanım gideri: yaklaşık 5600 TL. Yapımdaki öteki tüm giderlerle birlikte alıcıya maliyetin 60 80 000 TL olaca ğını tahmin edebiliriz, ki böyle bir makine ile 32 kanallı gerçek zamanlı bir süreç denetim diz gesi ç a l ı ş t ı r ı l a b i l i r (örneğin kimya sanayiinde) yada 5000 k i ş i l i k bir kuruluşun bordro vb. işle ri yürütülebilir.

2. MİKROİŞLEMCÎLER

Mikroişlemciler bilgisayardaki merkezi işlem bi riminin görevini yapan, çoğunlukla salt oku bel lek (read only memory, ROM) üzerine kaydedilmiş bir programı yürütecek geniş çapta tümleşimli bir devredir. îlk mikroişlemci (Intel 4004) 1971'de bir hesaplayıcinin temel öğesi olarak g e l i ş t i r i l di, 4 b i t uzunluğunda sözcüklü idi ve ancak 4K sözcüklük bir belleği adresleyebiliyordu. Sonra dan 16 b i t 1 lige kadar sözcük işleyebilen ve 64K

sözcüklük adresleme yeteneği olan mikroişlemciler yapıldı. Bugün ABD1de yapılmakta olan mikroişlem cilerin hemen hemen tümü Çizelge 2'de özet bilgi lerle gösterilmiştir. Mikroişlemciler ilkin hemen hemen yalnız pMOY tekniğiyle gerçekleştirilmek teydi, sonra nMOY işlemciler ve çok az güç harca malı (ama pahalı) TMOY işlemciler ç ı k t ı . En yeni mikroişlemciler ç i f t t a ş ı y ı c ı l ı tranzistor tekni ğiyle gerçekleştiriliyor, bu nedenle hızları iyice yükselmiş durumda. Mikroişlemcilerin fiyat ları da zamanla düştü, bugün 250 TL'na bir mikro işlemci satın almak olanaklı. Bir mikroişlemci nin maliyeti yongaya ve pakete bağlı olduğundan içerdiği geçit sayısından, devrenin karmaşıklığın dan genellikle bağımsızdır, bu maliyet bugün 170 TL dolayındadır. Önceleri mikroişlemcilerin 4,8,12,16 b i t ' l i k t ü r l e r i yapıldı. Sonradan bit dilim (bit slice) yapısı ortaya ç ı k t ı . Bütün yeni ( ç i f t t a ş ı y ı c ı l ı ) mikroişlemciler bit dilim yapısına uygun olarak yapılıyor, örneğin 2 b i t ' lik dilim mikroişlemcilerden istenen sayıda (di yelim 4 tane) yanyana bağlanarak 2'nin katları türünden is tanen sözcük uzunluğunda (örneğimizde 8 b i t uzunluğunda) b i r işlem birimi elde e d i l i yor. Mikroişlemcilerin çoğu bir tek yonga üzerin de gerçekleştiriliyor, 16 64 (genellikle 40) bacaklı bir paket içine yerleştiriliyor. Böyle bîr mikroişlemcide genellikle program sayacı (program counter), komut kod çözücüsü ve denet leyicisi (înstruction decoder and control), aritmetik mantık birimi (arithmetic logical unit, ALU), ç e ş i t l i yazmaçlar (register), bellek arabi rimi (memory interface) bulunur. Kimi mikroişlem ciler ise birden çok yonga üzerinde gerçekleşti

İşlemcinin Adı

LP 8000 4004 4040 8008 1 o 5065 IHP 8 IMP 16

PACE

I PPS 4 PPS 8 o. TMS 1000 SCAMP

EA 9002

F8

</> CP 1600

o 6501/6502

"o M6800

. cK : <U

CMP 8

TLCS 12

TOS 9900

MCP 1600

PFL 16

S COSMAC

nMOY

3001/3002

RP 16 u 6701 >, SBP 0400 s 1601 s 2901

10800 cS 9400

Geliştiren Firma

GI Intel Intel Intel Mostek National National National Rockvıel 1 Rockwell Texas Inst. National

Elec.Arrays Fairchild GI Intel MOS Tech. Motorola National Signetics Toshiba Texas Inst. Hestem D. Panafacom

RCA Intersil

Intel Raytheon Monolithic M. Texas Inst. Transitron ADM Motorola Fairchild

Sözcük Uzunluğu (bit)

8 4 4 8 8 8 16 16 4 8 4 8

8 8 16 8 8 8 8 8 12 16 16 16

8 12

2* 4» 4* 4» 4* 4* 4* 4»

Bellek Adresleme

Sığası (KsSzcUk)

2 4 4 16 32 64 64 64 4 16 8 64

64 64 64 64 64 64 64 32 32 64 64 64

64 4

0,5 64 64 64 32 64 64 64

Çevrim Süresi Bacak Fiyatı (us) Sayısı (dolar)

1,25 40

1,3

1,35 24

24X 130

24X 160

0,2

2,4

0,33 64

0,3

40X 150

X

0,165 28

48X

0,15 40

1.0

0,105 40

0,055

Çizelge 2.

1976 başında ABD'de yapılmakta

olan

mikroişlemciler.

Belirli bir mikroişlemciyi,

geliştiren firma dışında başka

birçok firmalar da yapmaktadır.

Bulunamayan değerler için " "

Konmuştur. " * " simgesi

bit dilim yapılı mikroişlem

cileri, " X " simgesi

çok yongalı

işlemcileri

göstermektedir.

Şekil 6. 1975 yılı başında DEC firmasınca gerçek leştirilen LSI 11 mikrobilgisayarı. Lev hanın büyüklüğü 24x25 cm. Üst sırada, sağda, 8096 sözcüklük bir rasgele eri şimli bellek ve dört tane MOY geniş çap ta tümleşik devresinden oluşan mikroiş lemci takımı (tiestem Digital yapımı) görülmektedir.

rilmiş olurlar, bunlar Çizelge 2'de X simgesi i l e gösterilmiştir.

Mikroişlemcilerin güvenilirlikleri de yüksektir. Bugün arızalararası ortalama süre (mean time bet vreen failures, MTBF) 10 milyon saat dolayındadır, özel çabayla bunun 10 katı da elde edilebilmek tedir.

Bugün mikroişlanciler tek başına satın alınabile cekleri gibi, özel arabirim (interface) ve bellek tümleşik devreleriyle birlikte takım halinde de alınabilmektedirler, tşlemci devre(ler), bellek, giriş çıkış devreleri bir kart üzerinde yada kutu içinde monte edilerek bir mikrobilgisayar oluştu rulmaktadır. Çeşitli firmalar piyasaya mikrobil gisayarlar sunmaktadırlar. Bir mikrobilgisayar dizgesi ise geliştirilmiş bir mikrobilgisayarla gerekli besleme devreleri, denetim panoları vb.' yi içerir. Böylece, minibilgisayar olarak andığı

mız dizge türünden bir dizge elde edilir. Bir mikrobilgisayar dizgesi bir minibilgisayardan ucuzsa da, hız ve yetenekler bakımından (bugün için) geridedir. Mikroişlemci temelli minibilgi sayara bir örnek olarak DEC firmasının LSI 11 bilgisayarını anabiliriz. Bu makinede 24 x 25 santimetre büyüklüğünde bir levhaya 8096 sözcük lük rasgele erişimli bellek (random access memory RAM), dört MOY geniş çapta tümleşik işlemci ve birkaç TTM tümleşik devre sığdırılmıştır (Şekil 6 Mikroişlemciler yavaş yavaş büyük bilgisayarlar içinde de yer almaktadırlar, özellikle hızlı i ş lemciler (örneğin yayıcıdan bağlaşık mantık tek niğiyle yapılanlar) bu uygulama türüne adaydır.

Bir mikrobilgisayarda maliyetin yaklaşık % 15'i merkezi işlem birimine, % 20'si giriş çıkış dev relerine, % 65'i de belleğe a i t t i r . Maliyetin bü yük bölümünü oluşturan giriş çıkış ve bellek dev releri üzerindeki araştırma geliştirme çalışmala rı bu nedenle önümüzdeki yıllarda hız kazanacak t ı r . 1980 yılında 16 b i t ' l i k bir merkezi işlem birimi, 32 Kbit'lik bellek, giriş çıkış devrele rini içeren bir tek yongadan oluşan bir tümleşik devrenin kabaca 170 TL'na mal edilebileceği tah min edilmektedir. Böyle bir devrenin hızı saniye de 100 000 1 milyon komut olacaktır.

Bugün ABD'de mikroişlemcilerin kullanıldıkları alanlar Çizelge 3'te gösterilmiştir. Bu alanlar dan ölçü aygıtları, başka aygıtlar ve süreç dene tim alanındaki kullanım hızla artmaktadır. Ayrı ca, daha önce elektromekanik yollarla gerçekleş tirilebilen işlevlere de mikroişlemciler hızla girmektedir; trafik ışıkları denetimi, asansör devreleri gibi. 1980'lerde 80 TL gibi bir satış fiyatına düşecek olan mikroişlemciler, daha önce elektroniğin hemen hiç girmediği alanlara girecek tir. Bu alanlar arasında ulaşım (otomobiller, trenler, uçaklar ve gemilerde), konutlar (sıcak lık, ışık vb. denetimi, korunma düzenleri, elek trikli ev aygıtlarının denetimi), özürlülere yar dımcı donanım (örneğin konuşma özürlüler için tu şa basmakla sözcük bireşimi yaparak hoparlörden veren aygıtlar vb.) gibi alanlar sayılabilir. Mikroişlemcilerin süreç denetimde kullanımı çok büyük oranlarda artacak; iletişimde özellikle te lefon santrallarında, çoklayıcılarda, hata sezici ve düzeltici devrelerde, şifreleme şifre çözme aygıtlarında geniş ölçüde kullanılacaktır. Önü müzdeki yıllarda mikroişlemciler tekniğin, hatta günlük yaşamın her alanına yoğun bir biçimde gi recektir. Hesaplayıcıların son birkaç yıldaki ge lişmesi bize bu konuda bir fikir verebilir.

Biçme vb. a y g ı t l a r ı 18

Süreç denetimi

Uzay t e k nolojis i

İletişim

Bilgisay arlar vb.

Askeri uygulamalar

Tıbbi uygulamalar

Dayanıklı tüketim mal. 3

Büro a y g ı t l a r ı

Eğitim

Ulaşım

Başka alanlar

Çizelge 3.

1975 yılında ABD'de mikroişlemci kullanım alanları. Sayılar, toplam mikroişlemci kullanımının yüzdesini göstermektedir.

Bellek sığası (K bi t )

Gerçekleştirildiği yıl Bir b i t l i k hUcre a l a n ı , m? Yonga a l a n ı , mm2

Etkin durumda b i t başına güç, \M Bit basına maliyet (kuruş)

Bit basına satış f i y a t ı (kuruş)

1 1972 3,9 10"3

<:u

4 1974 1,3 1O'3

1,7 7

16 1976 0,65 10"3 26

64 (1979) 0,3 İO"3

0,17

Çizelge 4. MOY rasgele erişimiz bellek teknoloji sinde durum. (500 ns çevrim süreli, 1 dolar a 17 TL alınarak)

3. BELLEKLER

Geniş çapta tümleşik devrelerin ortaya çıkmasıy la çekirdek bellekler hemen tümden kullanım ala nından çıktı. Tümleşik devre belleklerde yoğunluk lar hızla artmakta, bunun sonucu olarak fiyatlar düşmektedir. Çizelge 4'te MOY belleklerde son birkaç yıldaki gelişmeler görülmektedir.

Belleklerde son yılların önemli gelişmelerinden biri manyetik kabarcıklı (magnetic bubble) bellek lerin ortaya çıkması oldu. Kabarcıklı bellekler, erişim sürelerinin uzunluğuna (1 ms dolayında) karşın ucuzlukları (bit başına 0,8 kuruş dolayın da) ve erişilebilen yüksek sığalar (1 milyon ila 1 milyar bit) dolayısıyla önem kazandı. Üzerinde çalışılmakta olan kabarcık ağlı (bubble lattice) belleklerle 1 mm2 lik alanda 1,5 milyon b i t ' l i k bellek oluşturma olanaklarının ortaya çıkacağın dan söz edilmektedir.

Çeşitli bellek türlerinin erişim süresi ve erişi

IO12.

elektron demetli (0.9;

ıo10

kil (0,9)

/\e k i r de k (9) : / W (5)

bağlaşımlı (1.7)

t lf t t asıy ıcılı (25)

İs

«r1si»sUrtsi

Şekil 7. Çeşitli bellek teknolojilerinin erişim süreci ve erişilebilen bellek sığaları açısından karşılaştırılmaları. Bellek türlerinin yanında ayraç içindeki sayı lar bit başına kuruş olarak bellek ma liyetini göstermektedir (1 dolar = 17 TL).

lebilen sığa açısından karşılaştırılması Şekil 7' de görülmektedir.

MOY yongalar üzerine elektron demeti düşürerek bir noktada yük oluşturma temeline dayanan elek tron demetli belleklerde (eleetron beam memory, beamo) kaydedilen veri yine elektron demeti dü şürmekle okunmaktadır. Okunan noktada bir elek tron delik. çifti oluşmakta, eğer o noktada önce den saklanmış yük varsa; delik bu yük tarafından itilmekte ve bir okuma vuruşu oluşturmaktadır. 1977 yılında ticari kullanıma gireceği tahmin edi len elektron demetli belleğin sığası, örneğin, 32 milyon bit, maliyeti ise bit başına 0,3 kuruşla 1,7 kuruş arasında bir değer olacaktır.

Bir başka bellek türü de yük bağlaşımlı (charge coupled device, CCD) bellektir. Bu tür bellekle ri Intel ve Fairchild firmaları yapmaktadır. 1980 başıiida bit başına maliyetin 0,3 kuruşa dü şebileceği hesaplanmaktadır. Gerek manyetik kabar cıklı bellekler, gerekse yük bağlaşımlı bellekler rasgele erişimli olmayıp sırasal (serial) bellek tir. Kullanım bakımından bu çok önemli bir özel lik farkıdır.

Tekerbelleklerdeki (disc) gelişmeler sonucunda ulaşılan yoğunluk düzeyi, 94 iz/cm (238 iz/inç) ve iz üzerinde 2500 bit/cm (6400 bit/inç) olmak üzere 235 000 bit/cm2 kadardır. Bu yoğunluk düze yinin yakın gelecekte birkaç katına, 10 yıl için de de birkaç yüz katına çıkması beklenebilir.

4. GİRİŞ ÇIKIŞ BİRİMLERİ

Hız, güvenilirlik, maliyet açılarından bilgisayar giriş çıkış aygıtları işlemcilere ve belleklere göre çok yavaş bir biçimde gelişebildi. Bugün ar tık çoğu bilgisayarın fiyatı ve güvenilirliği gi riş çıkış birimince saptanıyor.

Görsel çıkış birimleri olarak ışık yayan diyotlar (light emitting diode, LED) ve sıvı kristal gös tergeler (liçuid crystal display, LCD) hızla ge lişti. Bugün bunlarla 100 karaktere kadar göster geler gerçekleştirilebiliyor. Daha çok verinin göstergelenmesi için plazma levhalı gösterge ge liştirildi (plasma panel display). Plazmalı gös tergenin katot ışınlı tüpe göre düzlemsel olma, geometrik bozulmalardan uzak olma, keskin görün tü gibi üstünlükleri vardır. Işık yayan diyotlu göstergelere göre ucuzsa da, plazmalı gösterge henüz epeyce pahalıdır, ayrıca gerektirdiği sü rücü devreler de karmaşıktır.

Yazıcılarda (printer) bugün ulaşılan hızlan, sı rasal (serial) yazıcılar için saniyede 30 120 ka rakter, satır yazıcılar için dakikada 300 2000 satır dolayındadır. Yazıcılara mikroişlemci dev reler koymak yoluyla çeşitli yetenekler eklemek, ana bilgisayarın yazıcıyı denetlemedeki ek işle rini azaltmak yoluna gidilmektedir.

Fotoiletken bir davul üzerine laser ışınları dü şürmek yoluyla belirli noktaları elektrikle yük lemek, yüklenen noktaların boyalı özel bir tozu çekmesi ve bu boyayı kağıda geçirmesi yoluyla (elektrostatik fotokopi makinelerindekine benzer biçimde) çalışan bir yazıcıyı IBM geliştirmiştir. Bu yazıcının hızı dakikada 13 360 satırdır (sa niyede 45 000 karakter), avrıca hemen her tür ka ğıt kullanabilmektedir.

5. BİLGİSAYARLAR

Mikroişlemci kullanan minibilgisayarlar yapılmış sa da, bugün minibilgisayarlar genellikle orta çapta tümleşik TTM devreleri kullanılarak gerçek leştirilmektedir. Artık minibilgisayarlarda da çekirdek bellekler yerini tümleşik devre bellek lere bırakmıştır. 1977'de minibilgisayarlarda ye ni bir "kuşak" başlayacak: Geniş çapta tümleşimli Schottky TTM devreleri kullanımı.

Büyük bilgisayarlarda önümüzdeki kuşak, merkezi işlem biriminde geniş çapta tümleşimli yayıcı kavramalı mantık devrelerinin kullanılmasıyla başlayacak. Bu tür bilgisayara örnek olarak Amdahl firmasının 470 V/6 makinesi anılabilir. Bu makinede merkezi işlem birimi çevrim süresi 30 ns; ana bellek MOY tümleşik devrelerle oluştu rulmuş, 8 megabyte'lık. Ayrıca 16 Kbyte'lık çifttaş i y i c i l i , h ı z l ı bir ara belleği var. Bu bilgisayar IBM 370/168 bilgisayarından 2 3 kat daha hızlı çalışıyor ve onun üçte biri kadar yer tutuyor.

Bütün bilgisayar yapımcıları dağılmış işlem (dis tributed processing) kavramına ağırlık veriyor lar. Bu nedenle anlaklı veri uçları (intelligent terminal) yapımı ve geliştirilmesi önem kazanı yor. Havacılık ve uzay alanında, az yer tutan bilgisayarlar yapılabildiğine göre, gitgide daha çok sayıda işlevin sayısal olarak gerçekleştiril mesi yoluna gidiliyor.

KAYNAKLAR

[ l] Altman, L., The New LSI, E l e c t r o n i c s , 10 Temmuz 1976, s.81 92.

[ 2 ] Boukre'ev, I., B.Mansourov, V.Goriatchev, Circuits Micro electroniques et Technique Numerique, MIR, Moskova, 1975.

[ 3 ] Güder, J.H., Ali About Microcomputers. Computer Decisions, Aralık 1975, s.44 49.

[ 4 ] Modges, D.A., Trends in Computer Hardvare Technology. Computer Design, Şubat 1976, s.77 85.

[ 5 ] Mikroişlemciler ve Uygulamaları. Elektrik Mühendisliği, Sayı 236, Ağustos 1976, s.441 447.

[ 6 ] Moore, G.E., Microprocessors and Integrated Electronic Technology. Proc. IEEE, Cilt 64, No.6, Haziran 1976, s.837 841.

[ 7 ] Nichols, A.J., An Overviev of Microprocessor Applications. Froc. IEEE, Cilt 64, No.6, Haziran 1976, s.951 953.

[ 8] Technology Update, Electronics, 16 Ekim 1975, s.74 127.

[ 9 ] Vezhofstadt, P. W. J., Evaluation of Technology Options for LSI Processing Elements. Proc. IEEE, Cilt 64, No.6, Haziran 1976, s.842 850.

Itilliman, A.O. ve H.J.Jelinek, Introduction to LSI Microprocessor Developments. Computer, Haziran 1976, s.34 46.

TERİMLER DİZİNİ anlaklı veri ucu: intelligent terminal arızalararası ortalama süre: mean time betveen failures (MTBF) aritmetik mantık birimi: arithmetic logic unit (ALU)

bacak: pin çokyongalı: multichip dağılmış işlem: distributed processing demet: beam dilim: slice engelleme geçidi: inhibit gate evirici: inverter geniş çapta tümleşim: large scale integration (LSI)

gerçek zamanlı: real time giriş çıkış: input/output gürültü bağışıklığı: noise immunity hata düzeltici: error correcting hata sezici: error detecting hücre: celi içitimli mantık: ıntegrated injection logic (IIL, I^L)

i z : tracfc kabarcık ağı: bubble lattice kodlayıcı: encoder küçük çapta tümleşim: small scale İntegration (SSI)

manyetik kabarcık: magnetic bubble merkezi işlem birimi: central processing unit (CPU) mikrobilgisayar: microcomputer minibilgisayar: minicomputer n kanallı MOY (nMOY): n channel MOS (nMOS)

orta çapta tümleşim: medium scale integration (MSI)

p k a n a l l ı MOY (pMOY): p channel MOS (pMOS) paket: package plazmalı gösterge: plasma panel display sırasal: serial sıvı kristalli gösterge: liçuid crystal display (LCD)

tekerbellek: disc toplayıcı: collector toplayıcı: adder tranzistor tranzistor mantığı (TTM): transistor transistor logic (TTL) tümler metal oksit yarıiletken (TM0Y): Comple mentary metal oxide semiconductor (CMOS) tümleşim: integration

VE: AND VEDEĞİL: NAND

YADA: OR YADADEĞİL: NOR y a y ı c ı d a n b a ğ l a ş ı k mantık (YBM): emitter coupled logic (ECL) yazıcı: printer yazmaç: register yük bağlaşımlı (devre) : charge coupled device (CCD) ;