Anakart

Anakart (İngilizce: mainboard, motherboard, baseboard, system board veya planar board), çağdaş bir bilgisayar gibi karmaşık bir elektronik sistemin birincil ve en merkezî baskılı devre kartıdır. Apple bilgisayarlarda aynı karta logic board (mantık kartı) denir. Kartın üzerinde işlemci yuvası, RAM yuvaları, genişleme kartı yuvaları, devreler ve yongalar bulunmaktadır. Bu bileşenler arasındaki iletişimi büyük ölçüde yonga seti düzenler.

İşlemci, bellek modülleri, genişleme kartları ve depolama aygıtları anakarttaki yuvalara ve bağlayıcılara takılır; güç kaynağından gelen gerilimler de bileşenlere bu kart üzerinden dağıtılır. Kişisel bilgisayar anakartlarının boyutları, vida deliklerinin yerleri ve arka paneldeki bağlantı noktalarının konumu ATX gibi belirtimlerle standartlaştırılmıştır. Anakartın üstlendiği işler zamanla değişmiştir. Ses ve grafik gibi işlevler genişleme kartlarından anakartın üzerine taşınırken bellek denetleyicisi gibi işlevler yonga setinden işlemcinin içine geçmiştir.

Bir anakart, bir arka düzlem gibi sistem bileşenleri arasındaki iletişimi sağlar. Arka düzlem (İngilizce backplane), anakart gibi bir baskılı devre kartıdır; ama üzerinde işlem ya da bellek öğesi yoktur, yalnız kendisine takılan kartları birbirine elektriksel olarak bağlayan bir bağlayıcı görevi görür. Anakart ise arka düzlemden farklı olarak merkezî işlem birimini ve gerçek zamanlı saat ile bazı çevre birimi arabirimleri gibi öteki alt sistemleri de kendi üzerinde taşır.

Tipik bir masaüstü bilgisayarda mikroişlemci, bellek ve öteki temel bileşenler anakart üzerinde bir arada durur. Sabit disk, ekran ve ses kartları ve öteki çevre birimleri ise anakarta genişleme kartları ya da kablolarla bağlanır. Çağdaş bilgisayarlarda bu çevre birimlerinin anakarta tümleşik olması giderek yaygınlaşmaktadır. Çağdaş bir anakartta işlemci belleğe ve ekran kartına doğrudan bağlanır, öteki aygıtların çoğu ise yonga setine takılır. Intel'in Z270 yonga setli düzeninde işlemci yonga setine DMI adlı özel bir bağlantıyla bağlanır; diskler SATA, klavye ile fare USB üzerinden bu yongaya takılır.

Kişisel bilgisayarlarda kullanılan anakartların çoğu, IBM PC'nin yayımlanan belirtimlerinden yararlanılarak üretilen ve "IBM uyumlu" diye anılan bilgisayarlar içindir. Bu bilgisayarların x86 mimarisi, 2000'e gelindiğinde masaüstü bilgisayar ve küçük sunucu pazarlarına egemen olmuştu.

İngilizcede kart en çok motherboard diye anılır; mainboard sözcüğü de kullanılır ve VIA, 2001'de tanımladığı Mini-ITX belirtimini bir mainboard belirtimi olarak sunmuştur. IBM, 1981 tarihli PC teknik başvuru kılavuzunda karta System Board der; kılavuzun dizini planar sözcüğünü bu karta gönderir. Intel'in ATX belirtiminin 1996 tarihli 1.1 sürümü karttan baseboard diye söz ederken 2.2 sürümü motherboard sözcüğünü kullanır.

İlk bilgisayarlarda her bileşen ayrı bir devre kartında yer alıyordu. Bu kartlar, hiçbir işlem ya da bellek öğesi taşımayan, yalnızca elektriksel bir bağlayıcı görevi gören bir arka düzleme takılıyordu. Mikroişlemcilerin ortaya çıkmasıyla işlemci ve bellek gibi parçalar da bu kartın üzerine yerleşebildi ve anakart doğdu. 1975'te satışa sunulan Altair 8800'de modüller 100 hatlı açık bir yola takılıyordu; bu yol yapısı S-100 standardına dönüştü.

Steve Wozniak'ın Mayıs 1977'de tanıttığı Apple II'nin kartı işlemciyi, belleği, görüntü üreten devreyi, klavye ve kaset arayüzlerini birlikte taşıyordu; G/Ç kartları için de sekiz yuva vardı. IBM'in 1981'de tanıttığı IBM PC'nin çok katmanlı System Board kartı ise Intel 8088 işlemciyi, 40 KB ROM'u, 16 KB belleği ve kaset, klavye ve hoparlör bağlantılarını taşıyordu. Encyclopædia Britannica, bu kartı tasarlayan kişi olarak IBM mühendisi Patty McHugh'ı anar. Bu ilk kişisel bilgisayarların anakartları yalnızca temel çevre birimi desteğine sahipti. Görüntü devresi Apple II'de kartın parçasıydı; IBM PC'de ise görüntü bağdaştırıcısı ve disk denetleyicisi gibi parçalar genişleme kartlarıyla ekleniyordu.

IBM PC'nin G/Ç kanalı, sonradan ISA diye anılan yolun temelidir. 1984'teki PC AT'de bu yol, 36 uçlu ikinci bir bağlayıcıyla 16 bitlik veri aktarımına genişletildi. Kişisel bilgisayarlarda 486 ile Pentium III arası işlemcilerin kullanıldığı dönemde yollarda büyük değişmeler oldu. 486'lı sistemlerde ISA'nın yanında, ekran denetleyicileri için işlemcinin yerel yoluna dayanan ve 1992'de yayımlanan VESA Yerel Yolu (VL-Bus) kullanıldı; bu yolun bağlayıcısı bir ISA bağlayıcısının hemen ardına yerleştiriliyordu. Bu yol artık kullanılmamaktadır. Aynı yıl yayımlanan PCI yolu, 33 MHz'te saniyede en çok 132 MB aktarabiliyordu. Intel'in 1996'da yayımladığı AGP ise yalnız grafik hızlandırıcılarına ayrılmış, anakartta tek bir yuvası olan noktadan noktaya bir bağlantıydı; öteki bütün G/Ç aygıtları PCI yolunda kaldı.

1980'lerin sonunda ve 1990'larda artan sayıdaki çevre birimi işlevini anakarta taşımak ekonomik olmaya başladı. Anakartlar klavye, fare, disket sürücüsü, seri ve paralel bağlantı noktaları gibi çevre birimlerini destekleyen süper G/Ç yongalarını içermeye başladı. Winbond'un W83627HF'si gibi bir süper G/Ç yongası tek pakette bir disket denetleyicisi, iki seri kapı, bir yazıcı kapısı ve bir klavye denetleyicisi toplar. 1990'ların sonlarından itibaren birçok anakart hiçbir genişletme kartına ihtiyaç duymadan ses, görüntü ve ağ işlevlerini destekledi. Ekran kartı ise basit ya da orta düzey kullanımlar için tümleşik olarak sunulurken, üst düzey üç boyutlu oyunlar ve bilgisayar grafikleri için ayrı bir bileşen olarak sunulmaya devam etti.

İki parçalı yonga setli düzende işlemciler ortak bir sistem yoluyla (FSB) kuzey köprüsüne bağlanıyor ve bellek denetleyicisi kuzey köprüsünde duruyordu; öteki yollarla iletişimi güney köprüsü yürütüyordu. AMD Opteron ile yaygınlaşan yaklaşımda bellek denetleyicisi işlemcinin içine alındı. Intel de 2008'in ikinci yarısında üretime geçen işlemcilerinde bellek denetleyicisini işlemciye aldı ve ortak sistem yolunun yerine noktadan noktaya QuickPath bağlantısını getirdi. 2009'da çıkan 5 serisi yonga setinde güney köprüsünün işlevleri Platform Denetleyici Merkezi (PCH) adlı tek bir yongada toplandı; işlemci ile PCH arasındaki bağlantıya DMI denir. 2011'deki Sandy Bridge kuşağında grafik işlem birimi ile PCI Express denetleyicisi de işlemci çekirdekleriyle aynı kırmığa alındı.

Tipik bir masaüstü bilgisayarın anakartı büyükçe bir baskılı devre kartından ibarettir. Elektronik bileşenleri ve bağlantıları barındırmasının yanında, gözle kolayca görülebilen ve öteki donanımların takılabileceği yuvalar ve uçlu bağlayıcılar gibi yapıları da içerir. Anakartların çoğu en az şu bileşenleri içerir:

• Bir ya da daha çok mikroişlemcinin (CPU) takılabileceği yuva ya da yuvalar
• Sistemin belleklerinin takılabileceği yuvalar (genellikle DRAM yongaları içeren DIMM modülleri biçiminde)
• İşlemci ile bellek ve çevre birimi yolları arasındaki iletişimi yöneten yonga seti (eski kartlarda işlemci yonga setine sistem yolu (FSB) ile bağlanırdı)
• Sistemin donanım yazılımını (BIOS ya da UEFI) içeren kalıcı bellek yongaları (çağdaş anakartlarda genellikle flaş bellek)
• Çeşitli bileşenleri eşzamanlamak için saat işareti üreten saat üreteci
• Yonga setinin ya da işlemcinin desteklediği yollar üzerinden sistemle iletişim kuran genişleme kartlarının takılabileceği yuvalar
• Güç kaynağından aldıkları elektrik enerjisini işlemciye, yonga setine, ana belleğe ve genişleme kartlarına dağıtan güç bağlayıcıları ve devreleri
• SATA ve M.2 gibi depolama bağlayıcıları

Eskiden neredeyse tüm anakartlar, klavye ve farenin takılabileceği PS/2 kapıları gibi yaygın giriş aygıtlarını destekleyen mantık ve bağlayıcılar içeriyordu. 2001'de tanımlanan eski donanımsız bilgisayarlarda ise klavye ve fare USB ile bağlanır.

İşlemci yuvası, baskılı devre kartı üzerinde işlemciyi taşımak için tasarlanmış bir parçadır. Bu yuva çok sayıda temas ucu içeren özel bir tümleşik devre yuvasıdır. İşlemci yuvası işlemciyi yerinde tutar ve en önemlisi anakart ile işlemci arasındaki elektrik bağlantısını sağlar. İşlemci yuvaları masaüstü ve sunucu bilgisayarlarda kullanılır; dizüstü bilgisayar işlemcileri ise çoğunlukla yuvaya takılmayan BGA paketlerinde gelir. Anakartın yuva ve yonga seti türleri işlemcinin serisini ve hızını desteklemelidir. Örneğin Intel'in LGA1700 yuvası kendinden önceki yuvalarla elektriksel ve mekanik olarak uyumlu değildir.

1990'ların Pentium işlemcilerinin kullandığı 321 iğneli Socket 7 gibi sıfır kuvvetle takılan (ZIF) yuvalarda işlemcinin iğneleri, kuvvet uygulanmadan yuvanın deliklerine yerleştirilir. Pentium II'de işlemci bir kartuşa yerleştirilmişti ve kartuşun kenar bağlayıcısı anakarttaki Slot 1 yuvasına takılıyordu. LGA (temas yüzeyi dizisi) yuvalarında ise esnek temas uçları yuvadadır. Intel'in LGA1155 yuvasında 1155 temas ucu bulunmaktadır.

Çağdaş bir yonga seti tek bir yongadan oluşur ve işlemcinin kendisinin sağlamadığı bağlantıların çoğunu üstlenir. Intel'in 700 serisi PCH'si PCI Express şeritlerini, SATA ve USB denetleyicilerini, bir gigabit Ethernet denetleyicisini, ses arayüzünü, saat denetleyicisini ve gerçek zamanlı saati taşır. Bu ailenin Z790 yongası işlemciye 8 şeritli DMI ile bağlanıp 28 PCIe şeridi ve 8 SATA kapısı sunarken B760 yongası 4 şeritli DMI ve daha az şerit sunar.

Masaüstü anakartlarında bellek, DIMM modüllerinin takıldığı yuvalara yerleştirilir. Intel'in 8. kuşak Core işlemcilerinin bellek denetleyicisi iki kanalı destekler ve her kanala en çok iki modül takılabilir; çift kanallı kipte ardışık önbellek satırları iki kanala sırayla dağıtılır. JEDEC'in Temmuz 2020'de yayımladığı DDR5 standardında her modül birbirinden bağımsız 40 bitlik iki alt kanal taşır. Önceki kuşaklarda anakartta yapılan bellek gerilimi düzenlemesi de DDR5'te modülün üzerine taşınmıştır.

PCI Express bağlantıları 1'den 32'ye kadar şerit genişliğinde tanımlanmıştır; şerit başına hız ilk kuşakta 2,5 GHz'lik işaretleşmeyle başlamıştır. Ekran kartı için kullanılan 16 şeritli yuva doğrudan işlemciye bağlıdır. Intel'in 8. kuşak işlemcilerinde bu 16 şerit iki yuvaya 8'er ya da bir yuvaya 8, iki yuvaya 4'er şerit olarak bölünebilir.

Sabit diskler ve optik sürücüler uzun süre anakarta, adını IBM PC AT'den alan ATA arayüzüyle bağlandı; bu koşut arayüzün ardından SATA geldi. Eskiden NGFF diye anılan M.2 ise PCI Express ve SATA bağlantılarını destekleyen küçük bir kart ve bağlayıcı biçimidir.

IBM PC'de bilgisayarı başlatan yazılım, kart üzerindeki 40 KB'lık ROM'da duruyordu ve açılış sınamasını (POST), G/Ç sürücülerini ve disketten önyükleme yapan yükleyiciyi içeriyordu. Çağdaş kartlarda donanım yazılımı, yonga setine SPI arayüzüyle bağlanan bir flaş bellek yongasında saklanır. Başlangıçta 16 bitlik gerçek kipte x86 çevirici diliyle yazılmış BIOS'un işini çağdaş bilgisayarlarda UEFI belirtimine uyan donanım yazılımı görür. Microsoft, Windows 11 için UEFI tabanlı ve Güvenli Önyükleme destekli bir donanım yazılımını ve 2.0 sürümünde bir Güvenilir Platform Modülünü şart koşar.

IBM PC AT'de Motorola MC146818 yongası gerçek zamanlı saati ve sistem ayarlarının saklandığı 64 baytlık CMOS belleği içeriyordu; ikisi de bir pille yedekleniyordu. Çağdaş Intel yonga setlerinde gerçek zamanlı saat, pille beslenen 256 baytlık bellekle birlikte yonga setinin içindedir; 32,768 kHz'lik bir kristalle çalışır ve 3 V'luk bir pille beslenir.

Saat üreteci işlemci, bellek ve yollar için gereken saat işaretlerini bir kuvars kristalden türetir. Intel'in 700 serisi yonga setlerinde saat üreteci yonga setinin içine alınmıştır; 38,4 MHz'lik bir kristalden işlemciye 100 MHz'lik bir PCI Express başvuru saati sağlar. Saat sıklığını dar bir aralıkta sürekli değiştirmek, harmoniklerin enerjisini daha geniş bir banda yayar ve yayılan elektromanyetik girişimi 13 dB'e varan ölçüde azaltabilir. Intel yonga setleri de başvuru saatini aşağı doğru kaydıran bu yayılmış izgeli saat yöntemini kullanır.

İşlemciler düşük gerilimde, çok yüksek ve hızla değişen akımlar çeker. Bu yükü besleyen gerilim düzenleyici modüller için birden çok dönüştürücü evresinin sırayla ve iç içe çalıştığı koşut yapılar önerilmiştir. ATX12V düzeninde işlemcinin gerilim düzenleyicisi, ana güç bağlayıcısından ayrı 4 uçlu bir +12 V bağlayıcısından beslenir. İşlemci gereksinim duyduğu gerilimi düzenleyiciye kendisi bildirir. Pentium II'de bunun için beş gerilim kimliği ucu vardı; Intel'in 8. kuşak işlemcileri ise üç hatlı seri bir arayüzle 8 bitlik bir kod gönderir.

ATX belirtimi, kartın arka kenarında kasanın arka panelindeki açıklığa denk gelen 158,75 × 44,45 mm'lik bir G/Ç alanı tanımlar; görüntü, ağ, USB ve ses bağlantı noktaları burada toplanır. Güç kaynağının ana bağlayıcısı, PCI Express kartlarının gereksinimi yüzünden 20 uçtan 24 uca çıkarılmıştır. Kasanın ön panelindeki güç ve sıfırlama düğmeleri ile ışıklar karttaki 2 × 5 uçlu bir ön panel bağlayıcısına, ön paneldeki USB ve ses girişleri de ayrı uçlu bağlayıcılara takılır.

Anakart, yalıtkan katmanlar ile bakır katmanların üst üste dizildiği çok katmanlı bir baskılı devre kartıdır. Baskılı devre kartlarında en yaygın yalıtkan malzeme, epoksi reçineli bir cam laminat olan FR-4'tür. Yüksek hızlı işaretleri taşıyan yollar, karakteristik empedansları belirli bir değerde kalacak biçimde çizilir; kaynağın, yolun ve yükün empedansları eşit değilse işaret yansır. Koşut yollar arasındaki istenmeyen bağlaşıma çapraz karışma denir. Ayırma kondansatörleri yongaların güç ve toprak uçlarına olabildiğince yakın yerleştirilir. İşlemcinin güç dağıtım ağında seramik kondansatörler işlemci yuvasının iç boşluğuna, büyük sığalı kondansatörler gerilim düzenleyicinin çıkışına konur.

Anakarttaki bileşenlerin çoğu yüzey montajıyla takılıp yeniden akıtmalı lehimlemeyle karta lehimlenir. Kalay-kurşun lehim 183 °C'de erirken yerini alan kalay-gümüş-bakır lehim 217-220 °C arasında erir. Avrupa Birliği'nin RoHS yönergesi, 1 Temmuz 2006'dan başlayarak piyasaya sürülen yeni elektronik eşyada kurşunu ve öteki bazı zararlı maddeleri yasakladı.

Günümüz bilgisayarlarının çoğu, yüksek hızlı işlemci ve diğer bileşenlerin soğutulması için gerekli soğutucuların takılabilmesi için vida deliklerine sahiptir. Anakarttaki fan bağlayıcıları fanları hem besler hem denetler. Intel'in dört uçlu fan belirtiminde fan hızı yaklaşık 25 kHz'lik bir darbe genişlik modülasyonu işaretiyle ayarlanır, fan her devirde iki darbe göndererek hızını bildirir. Besleme gerilimlerini, fan hızlarını ve sıcaklıkları izleyen devre, W83627HF gibi bazı süper G/Ç yongalarının içindedir.

2002 boyunca bazı masaüstü bilgisayarların anakartlarındaki alüminyum elektrolitik kondansatörler açılıp bozulmaya başladı. Sorun Micro-Star International, ASUSTek ve Gigabyte gibi üreticilerin kartlarında görüldü; kusurlu elektrolitin hidrojen gazı üretmesi kondansatörlerin patlayıp elektroliti sızdırmasına yol açıyordu. 2010'da görülen bir davanın belgelerine göre Dell, Mayıs 2003 ile Temmuz 2005 arasında Nichicon üretimi kusurlu kondansatörler yüzünden bozulma riski taşıyan en az 11,8 milyon bilgisayar satmıştı. Alüminyum elektrolitik kondansatörlerin ömrü, elektrolitin conta malzemesinden yavaş yavaş buharlaşmasıyla sınırlıdır ve çalışma sıcaklığı her 10 °C düştüğünde yaklaşık iki katına çıkar.

Supermicro'nun X13DEI kartı gibi çağdaş çift yuvalı sunucu kartlarında iki Xeon işlemci dört UPI bağlantısıyla birbirine bağlanır ve 16 bellek modülüyle 4 TB'a kadar bellek takılabilir. Sunucu kartlarının ayırt edici parçalarından biri anakart yönetim denetleyicisidir (BMC). Bu mikrodenetleyici ana işlemcilerden, BIOS'tan ve işletim sisteminden bağımsız çalışır ve sistem kapalıyken de erişilebilir; Intel, HP, NEC ve Dell bu denetleyicinin arayüzünü 1998'de IPMI belirtimiyle tanımladı.

Dizüstü bilgisayarlarda genellikle tümleşik, küçültülmüş ve özelleştirilmiş anakartlar kullanılır. Intel'in 8. kuşak Core işlemcilerinden masaüstü S serisi LGA1151 yuvasına takılan bir LGA paketinde gelirken U ve H serileri BGA paketlerinde gelir. 1990'ların dizüstü bilgisayarlarıyla başlayıp akıllı telefonlar ve tabletlerle süren aygıtların bir bölümünde kart takılabilen yuvalar tümüyle ortadan kalktı ve bütün önemli bileşenler kartın üzerinde tümleşik hâle geldi.

Geliştirme aşamasında kullanılan hazır değerlendirme kartları son üründe çoğunlukla ürüne özgü bir kartla değiştirilir; tek bir kart üzerine kurulan bu tür bilgisayarlara tek kart bilgisayar denir.

Anakartlar, bilgisayar üreticilerinin özel istekleri doğrultusunda biçim katsayısı denilen çeşitli büyüklük ve şekillerde üretilirler. IBM uyumlu anakartlar da farklı boyutlardadır. IBM'in 1984'te tanıttığı AT kartı yaklaşık 30 × 33 cm iken 1989'da çıkan Baby AT kartı 21,6 × 33 cm'dir. Intel'in Temmuz 1995'te yayımladığı ATX belirtimi, Baby AT kartını kasanın içinde 90 derece döndürerek yeni bir standart kurdu ve kartın boyutunu, vida deliklerinin yerlerini, bağlayıcıların konumunu ve bileşenlerin yükseklik sınırlarını tanımladı. Daha küçük anakartlar büyük kasalara uysa da anakart, kasa ve güç kaynağı birbiriyle eşleşmelidir. Örneğin microATX kartlar ATX kasalarına da takılabilecek biçimde ATX ile aynı vida deliklerini paylaşır. VIA'nın Mini-ITX kartı ise 17 × 17 cm'liktir.

Tayvan, anakart sanayisinde dünya pazarının en büyük payına sahiptir. Intel uzun süre kendi masaüstü anakartlarını da üretti; Ocak 2013'te bu işi üç yıl içinde bırakacağını açıkladı ve yonga setlerini Asus, ASRock ve Gigabyte gibi kart üreticilerine satmayı sürdürdü.

• Hız aşırtma