İşlemciler Neden Kare? Yuvarlak Olsalardı Ne Olurdu?

İşlemciler neden kare veya dikdörtgen tasarlanıyor? Silikon wafer üretimi, yonga kesimi, devre yerleşimi ve soğutma bu tercihi açıklıyor.

Bir masaüstü bilgisayar işlemcisine bakıldığında ilk dikkat çeken ayrıntılardan biri, neredeyse her zaman kare veya dikdörtgen bir gövdeye sahip olmasıdır. Intel ve AMD modellerinin ölçüleri değişse de bu temel geometri korunur. Dizüstü bilgisayarlar ve akıllı telefonlardaki işlemci paketlerinde de benzer bir yaklaşım görülür.

Peki işlemciler neden kare? Bunun yanıtı yalnızca anakart üzerindeki yerleşimle sınırlı değil. Üretimin başladığı silikon wafer’ın yapısı, yongaların bu yüzeye dizilme biçimi, kesim süreci, devre tasarımı ve paketleme gereksinimleri aynı sonucu destekliyor.

Yuvarlak waferdan kare yongaya

İşlemcinin dışarıdan görülen metal kapağı ile hesaplama görevini üstlenen silikon die aynı şey değildir. Masaüstü işlemcilerinde metal kapak, içerideki bir veya daha fazla küçük silikon yongayı korur ve oluşan ısıyı soğutucuya aktarır.

Bu yongalar, üretim sırasında büyük silikon wafer’ların üzerinde hazırlanır. Wafer’ların yuvarlak olmasının nedeni, yüksek saflıktaki silikonun tek kristalli silindirik külçeler hâlinde üretilmesi ve bu külçelerin ince diskler şeklinde kesilmesidir. Modern üretimde 300 milimetre çapındaki wafer’lar yaygın olarak kullanılır.

Üreticiler tek bir wafer üzerinde çok sayıda aynı yonga tasarımını birlikte oluşturur. Kare ve dikdörtgen die’lar, yuvarlak yüzeyin üzerine satır ve sütunlar hâlinde yerleştirilebilir. Böylece yongalar arasında düz kesim çizgileri bırakılır ve wafer’ın büyük bölümü verimli biçimde değerlendirilir.

Daireler ise düz bir yüzey üzerinde yan yana dizildiğinde aralarında boşluk bırakır. Yuvarlak yongalar tercih edilseydi her parçanın çevresinde kullanılmayan silikon alanları oluşur, aynı wafer’dan elde edilebilecek sağlam yonga sayısı azalırdı. Ayrıca her die’ın eğrisel sınırları boyunca kesilmesi üretim sürecini de zorlaştırırdı.

Wafer’ın kenarlarında yine tam olarak kullanılamayan bölümler bulunur. Ancak kare veya dikdörtgen yongaların düzenli yerleşimi, merkezdeki alanın çok daha büyük bir bölümünden yararlanılmasını sağlar.

Devre tasarımı da köşeli geometriyi destekliyor

İşlemcinin dışının kare görünmesi, içindeki milyarlarca transistörün aynı biçimde düzenlendiği anlamına gelmez. Yonganın içinde işlem çekirdekleri, önbellekler, bellek denetleyicileri, giriş-çıkış birimleri ve çeşitli bağlantı katmanları bulunur.

Mühendisler bu işlevsel blokları belirli bir yerleşim planına göre konumlandırır. Kare veya dikdörtgen bir çalışma alanı, devre bloklarının yerleştirilmesini ve aralarındaki bağlantıların planlanmasını kolaylaştırır. Sinyal yollarının uzunluğu, güç dağıtımı, ısı yoğunluğu ve üretilebilirlik gibi unsurlar bu süreçte birlikte değerlendirilir.

Bu nedenle gerçek silikon die her zaman tam bir kare olmak zorunda değildir; birçok yonga dikdörtgen biçimdedir. Kullanıcının gördüğü paket ise genellikle die’dan daha büyük olduğu için silikonun gerçek boyutu dışarıdan anlaşılmaz.

Yuvarlak işlemci üretmek mümkün mü?

Fiziksel açıdan yuvarlak bir işlemci üretmenin önünde kesin bir engel bulunmuyor. Ancak böyle bir tasarım, seri üretimde belirgin bir avantaj sunmaz. Aksine wafer üzerinde daha fazla boşluk oluşmasına ve kullanılabilir silikon miktarının azalmasına yol açar.

Kesim aşamasında da düz çizgiler boyunca ilerlemek yerine her yonganın çevresini takip etmek gerekebilirdi. Bu durum üretimi karmaşıklaştırırken maliyetleri artırabilirdi. Ayrıca yuvarlak bir alan, işlemcinin içindeki farklı devre bloklarını düzenli biçimde yerleştirmek için kare veya dikdörtgen bir alan kadar kullanışlı değildir.

Paketleme süreci de köşeli şekli destekler. Silikon die, elektrik bağlantılarını anakarta aktaran ve yongayı koruyan bir paket içerisine yerleştirilir. Kare veya dikdörtgen paketler, baskılı devre kartı üzerindeki diğer bileşenlerle düzenli biçimde yan yana konumlandırılabilir.

Dışarıdaki kare parça yonganın tamamı değil

Masaüstü işlemcilerinde görülen büyük metal yüzey, doğrudan silikon yonganın kendisi değildir. Isı yayıcı olarak görev yapan bu parça, içerideki küçük die’dan gelen ısıyı daha geniş bir yüzeye dağıtır. Soğutucu da bu yüzeye temas ederek ısıyı işlemciden uzaklaştırır.

Paketin alt kısmında ise kullanılan soket tasarımına göre temas noktaları veya pinler yer alır. Paket boyutunu yalnızca silikonun büyüklüğü belirlemez; elektrik bağlantılarının sayısı, güç gereksinimi, soket yapısı ve soğutma ihtiyaçları da hesaba katılır.

Dizüstü bilgisayar ve telefon işlemcileri çoğunlukla anakarta lehimlenmiş paketler içinde bulunur. Yapı masaüstü işlemcilerinden farklı olsa da köşeli geometri büyük ölçüde korunur.

Chiplet tasarımı şekli değiştirmedi

Yeni nesil işlemcilerde tek ve büyük bir silikon parçası yerine birden fazla küçük yonganın aynı paket içinde birleştirildiği chiplet yaklaşımı giderek yaygınlaşıyor. Çekirdekleri barındıran parçalar ile giriş-çıkış görevlerini üstlenen yongalar ayrı üretilebiliyor.

Bu yöntem, büyük bir die üzerinde oluşabilecek üretim hatalarının maliyetini azaltmaya ve farklı üretim teknolojilerini tek pakette buluşturmaya yardımcı olabilir. Ancak chiplet kullanımı işlemcinin dışarıdan kare veya dikdörtgen görünmesini ortadan kaldırmadı. Hatta paketin içinde birden fazla köşeli yonga bulunabiliyor.

2,5 boyutlu ve 3 boyutlu paketleme yöntemleriyle yongalar yalnızca yan yana değil, üst üste de yerleştirilebiliyor. Değişen esas olarak işlemcinin iç mimarisi; dış paket geometrisi ise üretim ve bağlantı standartları nedeniyle büyük ölçüde aynı kalıyor.

Soğutma neden önemli?

İşlemcinin şekli, ısı yönetimi açısından da bazı kolaylıklar sağlar. Düz bir ısı yayıcı yüzey, soğutucu tabanının işlemciyle geniş bir alanda temas etmesine imkân verir. Böylece die’dan gelen ısı, soğutma sistemine daha düzenli aktarılabilir.

Yine de işlemcilerin kare yapılmasının temel nedeni yalnızca soğutma değildir. En güçlü gerekçeler, wafer üzerinde alanın verimli kullanılması, düz kesim işlemleri, devre bloklarının yerleşimi ve paketleme kolaylığıdır.

Gelecekte farklı şekillerde işlemci paketleri tasarlanabilir. Ancak bunun üretim, anakart uyumluluğu, soket yapısı ve soğutma açısından somut bir fayda sağlaması gerekir. Mevcut koşullarda kare ve dikdörtgen geometri, bu gereksinimlerin çoğuna en pratik yanıtı veriyor.

Kısacası işlemciler neden kare sorusunun yanıtı tek bir nedene dayanmıyor. Yuvarlak silikon wafer’dan mümkün olduğunca fazla yonga üretmek, bu yongaları kolayca kesmek, devreleri düzenlemek ve işlemciyi güvenli biçimde paketlemek için köşeli tasarım tercih ediliyor.