Bilgisayar mimarisi, bir bilgisayar sisteminin bileşenlerinden oluşan yapısını, bu bileşenlerin işlevlerini ve birbirleriyle ilişkilerini tanımlayan bilgisayar mühendisliği ve bilgisayar bilimi dalıdır. Bir mimari, kimi zaman gerçeklenme ayrıntılarını göz ardı eden üst düzey bir tanım olabileceği gibi; daha ayrıntılı düzeyde buyruk kümesi mimarisi tasarımını, mikromimari tasarımını, mantık tasarımını ve fiziksel gerçeklenmeyi de kapsayabilir.
Bilgisayar mimarisi, hem yazılımın donanımdan ne beklediğini (soyut arayüz) hem de bu beklentinin donanımda nasıl karşılandığını (somut gerçeklenme) ilgilendirir. Bu nedenle alan, yalnızca bir bilgisayarın "nasıl çalıştığını" değil, belirli başarım, maliyet ve güç hedeflerine ulaşmak için "nasıl tasarlanması gerektiğini" de inceler.
Tarihçe
"Mimari" sözcüğünün bu anlamda kullanımı 1960'larda IBM'de, IBM System/360 ailesinin tasarımı sırasında yaygınlaştı. Bu ailenin getirdiği temel yenilik, aynı buyruk kümesi mimarisini paylaşan ancak farklı başarım ve maliyet düzeylerinde, birbirinden bağımsız donanımlarla gerçeklenen bir bilgisayar ailesi sunmasıydı. Böylece bir model için yazılan yazılım, ailenin diğer modellerinde de değiştirilmeden çalışabiliyordu; yani yazılım uyumluluğu donanımdan ayrıştırılmış oldu. Bu ayrım, bugün de bilgisayar mimarisinin temel ilkelerinden biridir.
Bir kavram olarak bilgisayar mimarisinin kökleri 19. yüzyıla, Charles Babbage'in tasarladığı ve Ada Lovelace'in ilk bilgisayar algoritmasını yazdığı analitik makineye dek uzanır. Çağdaş bilgisayarların çoğunun dayandığı temel tasarım olan Von Neumann mimarisi ise 1945'te, John von Neumann'ın EDVAC Hakkında Bir Raporun İlk Taslağı adlı belgesinde tanımlanmıştı; bu modelde buyruklar ve veriler aynı bellekte tutulur. Sonraki on yıllarda mimari tasarım; mikroişlemcilerin gelişimi, boru hattı, önbellek, sıra dışı yürütme, çoklu buyruk başlatma ve çok çekirdekli tasarımlar gibi tekniklerle giderek derinleşti.
Tasarım düzeyleri
Bilgisayar mimarisi genellikle birbirini tamamlayan birkaç soyutlama düzeyinde ele alınır.
Buyruk kümesi mimarisi
Buyruk kümesi mimarisi (BKM; İngilizce: instruction set architecture, ISA), yazılımın gördüğü soyut arayüzü tanımlar: işlemcinin yürütebildiği buyruklar, yazmaçlar, veri türleri, adresleme yöntemleri ve bellek modeli. Yazılım uyumluluğunu belirleyen düzey budur. RISC ve CISC, iki temel BKM tasarım yaklaşımıdır: RISC sade ve düzenli buyrukları, CISC ise tek buyrukta daha çok iş yapmayı öne çıkarır. x86, ARM ve RISC-V yaygın buyruk kümesi mimarilerindendir.
Mikromimari
Mikromimari, belirli bir buyruk kümesi mimarisinin bir işlemci üzerinde nasıl gerçeklendiğini tanımlar: veri yolu, aritmetik mantık birimi, işlem birimleri, boru hattı, önbellek ve denetim mantığı. Aynı buyruk kümesi mimarisi, başarım ve güç hedeflerine göre çok farklı mikromimarilerle gerçeklenebilir; örneğin x86 buyruk kümesi, Intel ve AMD tarafından onlarca farklı mikromimariyle hayata geçirilmiştir.
Sistem tasarımı
Buyruk kümesi ve mikromimarinin ötesinde, sistem tasarımı (ya da makromimari) bir bilgisayarın daha üst düzey örgütlenmesini kapsar: bellek erişim düzenleri ve sanal bellek, giriş/çıkış (G/Ç) yolları, sanallaştırma ve birden çok işlemcinin bir arada çalıştığı çok çekirdekli ile çok işlemcili düzenler. Bu düzey, çekirdeklerin belleğe ve birbirine nasıl bağlandığını, verinin sistemde nasıl aktığını belirler.
Mantık tasarımı ve gerçeklenme
En alt düzeyde, mikromimarinin mantık kapıları ve devrelerle ifade edildiği mantık tasarımı ile bunların tümleşik devreler üzerinde fiziksel olarak üretildiği gerçeklenme yer alır.
Üretim teknolojisi
Bir bilgisayar mimarisinin somut bir yongaya dönüşmesi yarı iletken üretim teknolojisine bağlıdır. Mimarinin mantık devreleri, fotolitografi ve ilgili işlemlerle silisyum levhalar üzerinde milyarlarca transistör olarak gerçeklenir. Üretim teknolojisi, ürettiği en küçük yapının boyutuyla anılan üretim süreçleri (düğümleri) ile adlandırılır; bu boyut tarih boyunca küçülerek aynı alana giderek daha çok transistör sığdırılmasını sağlamıştır. Bu eğilim Moore yasası ile özetlenir ve mimarlara her kuşakta daha zengin mikromimariler —daha büyük önbellekler, daha çok çekirdek, daha geniş boru hatları— tasarlama olanağı vermiştir.
Transistörler küçüldükçe yapıları da değişmiştir: düzlemsel MOSFET, 22 nm dolayından itibaren üç boyutlu FinFET yapısına, 3 nm ve altında ise her yandan saran kapılı transistöre bırakmıştır. Öte yandan Dennard ölçeklemesinin 2000'lerin ortasında sona ermesi, küçülmenin artık güç yoğunluğunu sabit tutamamasına —güç duvarına— yol açmış; bu da mimari ilgiyi tek çekirdeği hızlandırmaktan çok çekirdekliliğe ve özelleşmiş donanım hızlandırıcılarına kaydırmış, güç sınırı yüzünden yonganın tümünün aynı anda çalıştırılamadığı karanlık silikon (dark silicon) sorununu doğurmuştur.
Bellek ve veri yolu
Bir bilgisayarın başarımı yalnızca işlemcinin hızına değil, veriye ne kadar hızlı erişebildiğine de bağlıdır. İşlemci ile ana bellek arasındaki hız farkı (bellek duvarı), katmanlı bir bellek hiyerarşisiyle azaltılır: en hızlı ve en küçük yazmaçlardan başlayıp önbellek katmanları, ana bellek ve ikincil depolamaya doğru genişleyen bu yapı, sık kullanılan veriyi işlemciye yakın tutar. Bileşenler arasındaki veri aktarımı ise yollar üzerinden yapılır.
Başarım ve paralellik
Bilgisayar başarımı, bir mimarinin belirli bir işi ne kadar hızlı ve verimli gerçekleştirdiğinin ölçüsüdür ve mimari tasarımın başlıca hedeflerinden biridir. Bir programın işlemcide geçirdiği süre, başarım denklemi ile üç etkene ayrılır: yürütülen buyruk sayısı, buyruk başına çevrim (BBÇ) ve saat çevrim süresi. Mimar bu üç etkenden herhangi birini iyileştirerek başarımı artırabilir; ancak biri çoğu zaman bir diğerini olumsuz etkiler.
İşlemci başarımını artırmanın temel yolu, aynı anda daha çok iş yapmak, yani paralelliktir. Başlıca teknikler şunlardır:
- Boru hattı: Buyruk işlemenin aşamalara bölünüp üst üste bindirilmesi. Buyruklar arası bağımlılıklar boru hattı sorunlarına yol açar; bunlar veri yönlendirmesi ve dallanma öngörüsü gibi tekniklerle azaltılır.
- Çoklu buyruk başlatma: Bir çevrimde birden çok buyruğun aynı anda yürütülmesi.
- Sıra dışı yürütme: Buyrukların, bağımlılıklar el verdikçe program sırasından bağımsız yürütülmesi.
- Çok çekirdeklilik ve iş parçacığı paralelliği: Birden çok işlemci çekirdeğinin aynı yonga üzerinde çalışması.
İşlemci mimarileri, aynı anda işlenen buyruk ve veri akışı sayısına göre de sınıflandırılır; bu sınıflandırma Flynn sınıflandırması olarak bilinir (SISD, SIMD, MISD, MIMD).
Başarım; çevrim başına buyruk (ÇBB), buyruk başına çevrim (BBÇ), saat hızı, FLOPS ve watt başına başarım gibi ölçütlerle değerlendirilir ve farklı sistemleri karşılaştırmak için denektaşı programları kullanılır. Eklenen çekirdek sayısıyla elde edilen hızlanma sınırsız değildir; bir işin koşutlaştırılamayan bölümü, Amdahl yasası uyarınca ulaşılabilecek azami hızlanmaya bir tavan koyar. Ayrıca artan güç yoğunluğu güç duvarına, işlemci–bellek hız farkı ise bellek duvarına yol açarak başarım artışını sınırlar.
Tasarım hedefleri
Bir bilgisayar mimarisi tasarlanırken birbiriyle çelişebilen birçok hedef gözetilir:
- Başarım: Birim zamanda yapılan iş miktarı.
- Güç verimliliği: Dennard ölçeklemesinin sona ermesi ve güç duvarı olgusuyla birlikte, birim enerji başına yapılan iş çağdaş tasarımın en önemli kısıtlarından biri hâline gelmiştir. Bu verim çoğunlukla Watt başına başarım ölçütüyle değerlendirilir; pille çalışan aygıtlar için düşük güçlü elektronik tasarımı ayrı bir uzmanlık alanı oluşturur. Mobil cihazlardan veri merkezlerine kadar belirleyicidir.
- Maliyet ve alan: Yonga alanı, üretim maliyeti ve ısı dağıtımı tasarım kararlarını doğrudan etkiler.
- Güvenilirlik ve güvenlik: Hata toleransı ve donanım güvenliği, giderek artan biçimde mimari hedefler arasındadır.
Pazar talebindeki değişimler — örneğin mobil cihazların ve yapay zekâ uygulamalarının yükselişi — mimari önceliklerini zaman içinde önemli ölçüde değiştirmiştir.
Ayrıca bakınız
Kaynakça
- ^ a b c d e f g Patterson, David A.; Hennessy, John L. (2020). Computer Organization and Design RISC-V Edition: The Hardware/Software Interface (2 bas.). Morgan Kaufmann. ISBN 978-0128203316.
- ^ a b c d e f g h i j Hennessy, John L.; Patterson, David A. (2019). Computer Architecture: A Quantitative Approach (6 bas.). Morgan Kaufmann. ISBN 978-0128119051.
- ^ von Neumann, John (1945). First Draft of a Report on the EDVAC. Moore School of Electrical Engineering, University of Pennsylvania.
- ^ Flynn, Michael J. (1972). "Some Computer Organizations and Their Effectiveness". IEEE Transactions on Computers. 21 (9): 948-960. doi:10.1109/TC.1972.5009071.