Moore Kanunu ve Post-Silisyum Çağına Doğru

İlk transistör Avusturya-Macar asıllı bilim adamı Julius Edgar Lilienfeld

ile Alman bilim adamı Oskar Ernst Heil’ın 1925 ile 1934’te geliştirdikleri

temel fikirlere dayanarak 1947 yılında Bell Laboratuvarları’nda çalışan

ABD’li bilim insanları W. Shockley, J. Bardeen ve W. Brattain tarafından geliştirildi.

Bu elektronik yapı taşına transistör adını veren kişi ise ABD’li bilim

adamı John R. Pierce’tir. Transistörler, aynı bir vananın keserek veya açarak

su akışını kontrol etmesi gibi, bir devredeki elektrik akımını ileterek veya

keserek o devredeki elektrik akımının kontrol edilmesini sağlayan elektronik

bir yapıtaşı olarak düşünülebilir. Shockley, Bardeen ve Brattain 1956

yılında, yarı iletkenler üzerine çalışmalarından ve transistör etkisinin keşfinden

dolayı Fizik dalında Nobel Ödülü’ne layık görüldüler.

İlk önceleri germanyum adlı bir elementten üretilen transistörler

1950’lerin sonuna doğru silisyumdan üretilmeye başlandı. 1960’lı yıllardan

itibaren verimsiz ve kullanışsız elektron tüplerinin yerini almaya başlayan

transistörlerle önceleri sadece yüzlerce, sonra binlerce, daha sonra da yüz binlerce ve milyonlarca transistöre sahip entegre devreler ve mikroçipler

üretilmeye başlandı ve dijital çağın kapısı aralandı. Günümüzde

bir mikroişlemci genelde milyarlarca transistörden oluşmaktadır. Eğer

transistörler icat edilmeseydi modern mikroelektronik mümkün olmayacak

ve dolayısıyla bilgisayarlar ve başka birçok elektronik aletin geliştirilmesi

mümkün olmayacaktı. Dijital çağın mikroelektronik ile başladığını,

mikroelektronik dolayısıyla da bilgisayar alanındaki gelişmelerdeki

hızlanmanın transistörlerin küçülmesiyle doğru orantılı olduğunu tekrar

hatırlarsak, transistörlerin hayatımızdaki önemi daha da iyi anlaşılacaktır.

"Çalışan ilk transistör örneği"

Moore Kanunu ve Silisyum Çağı

Bilgisayar dünyasının sürekli gelişmesindeki en önemli faktörlerden

biri bilgisayarların “beynini” temsil eden mikroişlemcilerin

işlem gücüdür. Günümüzde üretilen her mikroişlemci

milyarlarca transistörden oluşur. Genel olarak bir mikroişlemcide

kullanılan transistör sayısı arttıkça, mikroişlemcinin işlem

gücü de bu sayıyla doğru orantılı olarak artar. Bundan dolayı

bir mikroişlemcinin transistör sayısı o mikroişlemcinin kapasitesini

etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Örneğin henüz

70’li yılların başlarında mikroişlemcilerin sadece 2000-3000

transistörü varken, bu sayı 2011’de 2.270.000.000’a günümüzde

ise 5.000.000.000’a ulaşmıştır (bkz. Ege, B., “Kumdan Mikroişlemciye

Uzanan Uzun İnce Yol”, Bilim ve Teknik, s. 44-47, Nisan

2012). Görüldüğü gibi bir mikroişlemcide kullanılan transistör

sayısı neredeyse yıldan yıla katlanarak artıyor, fakat bu

süreç nereye kadar devam edebilir? Bu soruya en iyi cevabı yine

Gordon Moore veriyor. Moore bu gerçeği belki de herkesten

önce görmüş ve elektronik dünyasındaki bu gelişimi Amerikan

elektronik dergisi Electronics’de 19 Nisan 1965’te yayımlanan

makalesinde dile getirmişti. Moore Kanunu olarak da bilinen

bu öngörüye göre bir mikroişlemcideki transistörlerin sayısı

en geç iki yılda bir ikiye katlanıyor. Moore Kanunu hâlâ geçerliğini

koruyor, bunun en önemli nedeni de günümüzde yarı

iletken teknolojisinin temel taşı olan silisyum elementinin kullanımında

doğal sınırlara ulaşılmamış olması. 2007’de bir konferansta

yöneltilen bir soru üzerine Gordon Moore’un kendisi

de, kendi adıyla anılan bu kanunun en geç 2020 başlarında geçerliliğini

yitirmesini beklediğini belirtmiştir.

Silisyum

Silisyum doğada çok fazla miktarda bulunan kimyasal elementlerden

biridir. Sembolü Si, atom numarası 14’tür. Silisyum, hem bir

yarı metal hem de bir yarı iletkendir. Doğada, özelikle kumda çok

fazla silisyum bulunur. Bundan dolayı transistör, bellek, mikroişlemci

gibi elektronik yapı taşlarının üretimindeki ana malzemelerden

biri kumdur (silisyum, az miktarda olsa da insan vücudunda

bile bulunur). 1817’de İskoçyalı kimyager Thomas Thomson tarafından

(1773-1852) silisyumun İngilizcede silicon olarak adlandırılması

teklif edilmiştir. Buna göre -on eklentisi silisyumun, karbon

(carbon) ve bor (boron) ile “akrabalığını” simgeler.

Silisyum, en azından içinde bulunduğumuz dönem için, bilgisayar

ve elektronik yani yarı iletken endüstrisinin olmazsa olmazlarındandır.

Entegre devrelerin mikroişlemcilerin ve daha başka birçok

mikro mekanik sistemin geliştirilmesi silisyum madeni sayesinde

mümkün olmaktadır.

Silisyum Transistörleri

Bugünkü teknolojiyle üretilebilen en küçük transistörün çapı

30 atom civarında. Bilim insanları daha da ufak transistörler

üretmek için sürekli yeni fikirler geliştiriyor, ama bu sürecin

sonsuz olmasına da imkân yok. Bunun birinci nedeni transistörler

küçüldükçe akım yollarının da doğru orantılı olarak kısalması.

O zaman, çok daha hızlı çalışan transistörlerin ürettiği

ısının uzaklaştırılması daha da zorlaşıyor ve transistörler neredeyse

kendi kendilerini eritecek kadar ısınıyor. İkinci ama bir

o kadar önemli neden de kalınlığı yaklaşık 5-10 atomdan daha

az olan transistörlerin üretiminin, bu büyüklükteki transistörlerin

sağlıklı çalışması için gerekli elektriksel yüke sahip olamaması

ve kuantum teorisinin belirsizlik ilkesine göre yine bu büyüklükteki

bir yapıdaki elektronların konumlarının belirsizliğinin

kısa devreye yol açması.

Tüm bu gerçekler artık silisyumdan yapılan transistörlerin,

dolayısıyla günümüz bilgisayar üretim teknolojisinin yavaş yavaş

da olsa sınırlarına dayanmakta olduğunu ve bilgisayar teknolojileri

üretiminin başkenti Silisyum Vadisi’nin bir an önce

silisyum teknolojisine alternatif teknolojiler bulması gerektiğine

işaret ediyor.

Silisyum Vadisi (Silicon Valley)

Bilgisayar ve elektronik endüstrisinin kalbi Silicon Valley (San

Francisco, ABD) ismini silisyum madeninden alıyor. Yani “silisyum”

sözcüğünün İngilizce karşılığı silicon’dur, dolayısıyla vadinin

isminin de Türkçeye Silisyum Vadisi olarak çevrilmesi gerekir.

İngilizcesi silicon olan silisyum ile İngilizcesi silicone olan silikon

arasında doğrudan bir ilgi bulunmamasına rağmen, bu iki

sözcük çoğu zaman birbiriyle karıştırılır.

Post-Silisyum Çağına Doğru

Post-silisyum çağına doğru hızla ilerlerken, bilim insanları

silisyumun yerinin hangi elementle veya hangi yapay maddeyle

doldurulabileceği üzerine kara kara düşünmeye devam ediyor.

Bu konudaki düşünceler sadece bir veya birkaç atom büyüklüğündeki

transistörlerin üretiminden, hesaplamaların elektronlar

yerine fotonlarla yapıldığı optik bilgisayarlara ve yine hesaplamalar

için DNA ve proteinler gibi biyolojik moleküllerin kullanıldığı

biyo bilgisayarlara (DNA bilgisayarları) kadar uzanıyor.

Hesaplamaların elektronlar yerine atomlarla yapıldığı kuantum

bilgisayarları da yine başka bir ümit kapısı (bkz. Ege, B., “Kuantum

Mekaniğinden Kuantum Bilgisayarlarına”, Bilim ve Teknik,

s. 12-14, Ekim 2012). Sonuç olarak bu alandaki yenilikçi düşünce

ve fikirlerden ne kadarının bir gün laboratuvarlardan çıkıp

gerçekten seri üretime geçebilecek olgunluğa erişebileceği henüz

meçhul, ama kesin olan bir şey varsa o da bu sürecin henüz

daha emekleme döneminde olduğu, dolayısıyla gelişmesi için

daha çok zaman ihtiyaç duyulduğu.

Fakat masamızın üstündeki bilgisayarlar elektronlarla hesaplama

yapmaya devam ettiği sürece insanoğluna bu alandaki

en büyük yardım şu iki alandan gelecek gibi görünüyor: Nanoteknoloji

ve paralel hesaplama. Günümüzde nanoteknoloji alanında

karbon ve karbon nanotüpler ile yapılan çalışmalarda daha

şimdiden müthiş gelişmeler yaşansa da ve bu alan orta vadede

en çok gelecek vaat eden araştırma alanlarından biri olarak

gözükse de, kısa vadedeki tek gerçek çözüm kaynağı paralel hesaplama

gibi görünüyor.

Paralel Hesaplama

Bilgisayarların performansının artırılması konusunda

şu an için en elle tutulur ve ümit verici

çözüm paralel hesaplama demiştik. Paralel hesaplama

hayli basit ama o derece etkili bir fikre dayanıyor:

Bir mikroçipe birden fazla mikroişlemci

yerleştirilerek bunların her işlemi ortaklaşa yapmasının

sağlanması ve böylece tüm işlemlerin bir

tek işlemcinin gerçekleştirebileceğinden çok daha

kısa bir sürede yapılması. Intel ve AMD gibi dünyanın

en büyük yarı iletken üreticileri günümüzde

halen aktif bir şekilde yararlanılan bu teknolojiden,

bir mikroçipe yerleştirilen çekirdeklerin sayısını

mümkün olduğunca artırarak daha da fazla

yararlanmaya çalışıyor. Dört çekirdekli işlemcilerin

artık akıllı telefonlarda bile neredeyse standart

haline geldiği günümüzde çıta çoktan yükselmiş

durumda; hem de sekiz çekirdekli ve on iki çekirdekli

mikroçiplere.

Yine paralel hesaplama ilkesine göre çalışan süper

bilgisayarların ise genelde yüz binlerce hatta

milyonlarca mikroişlemcisi yani çekirdeği var.

Örneğin Haziran 2013 itibariyle dünyanın en hızlı

süper bilgisayarı unvanına sahip olan Çin yapımı

Tianhe-2’nin toplam 3.120.000 çekirdeği var.

Cray Inc. (ABD) tarafından üretilen dünya ikincisi

Titan’ın 560.640, IBM (ABD) tarafından üretilen

dünya üçüncüsü Sequia’nın ise toplam 1.572.864

mikroişlemcisi var. IBM tarafından açıklandığına

göre Sequoia, 6.700.000.000 kişinin hesap makinesi

kullanarak 320 senede yapabileceği işlemi sadece

bir saat içinde gerçekleştiriyor, sadece bu gerçek

bile paralel hesaplamanın gücünü gözler önüne seriyor

(bkz. Ege, B., “Süper Bilgisayarlar”, Bilim ve

Teknik, s. 62-66, Mayıs 2012). Fakat kolaylıkla tahmin

edilebileceği ve yukarıdaki kısa listenin de işaret

ettiği gibi mikroişlemci sayısı kadar her mikroişlemcinin

kapasitesi (örneğin mikroişlemcinin

önbellek büyüklüğü, işlem hızı) ve tüm sisteme ait

genel mimarinin de performansa çok büyük etkisi

var. (Dikkat edilirse Titan’ın daha az mikroişlemcisi

olmasına rağmen işlem gücü Sequoia’nınkinden

daha yüksek.) Sonuç olarak gerek süper bilgisayar

olsun gerekse çok çekirdekli masa üstü bilgisayarınız

hatta akıllı cep telefonunuz, çok çekirdekli

bir sistemde yüz binlerce hatta milyonlarca mikroişlemciyi

birbiriyle uyumlu bir şekilde çalıştırabilmek

hayli zor. Bu ancak özel olarak geliştirilmiş

yazılımlar yoluyla gerçekleştirilebiliyor. Söz konusu

yazılımlar, bir yandan her bir çekirdek arasındaki

görev dağılımını yaparken diğer yandan donanım

kaynaklarını ihtiyaca göre tahsis edip her bir

çekirdekten gelen işlem sonuçlarını büyük bir hızla

ve doğru bir şekilde birleştirmek zorunda.

Fakat paralel hesaplama konusunda daha kat

edilmesi gereken uzun bir yol olduğunu bize sadece

bu konu üzerine çalışan bilim insanları değil, tabiat

ana da söylüyor. Nitekim en müthiş bir şekilde

paralel çalışan sistemlerin başında insan beyni geliyor.

Manyetik Rezonans Görüntüleme (Magnetic

Resonance Imaging, kısaca MRI) yoluyla elde edilen

görüntülerde düşünmekte olan bir beyinde aynı anda

farklı bölgelerin birden etkinleştiği gözlemleniyor.

Bilim insanlarının açıklamalarına göre bu, insan

beyninin bir görevi milyarlarca parçaya bölerek

bunların her birini beynin farklı farklı bölgelerinde

işleme koyduğunu ve daha sonra her bir bölgeden

gelen sonuçları birleştirerek mükemmel sonuca

eriştiğini gösteriyor. Bu durum aynı zamanda bilim

insanları tarafından, saatte ancak 360 km’lik bir

hızla birbirleriyle iletişim kurabilen nöronların, neredeyse

ışık hızıyla çalışan bilgisayar ve süper bilgisayarlardan

nasıl daha hızlı ve mükemmel bir şekilde

çalıştığının da tek açıklaması ve kanıtı sayılıyor.

Sonuç

Moore Kanunu’nun geçerliliğini yitirmesi kaçınılmaz

olarak sadece silisyum çağının sonunu haber

vermekle kalmıyor aynı zamanda yakın bir gelecekten

itibaren dünyamızın günümüzdeki elektronik

tabanlı bilgisayarların yanı sıra kuantum, optik

veya DNA tabanlı bilgisayarları kullanmaya başlaması

gerektiğine de işaret ediyor. Bu aynı zamanda

tüm hesaplamaların elektronlar yerine atomlar,

fotonlar veya biyolojik moleküllerle yapılmaya başlanarak

şu anda silisyumdan üretilen elektronik tabanlı

transistörlerde yaşanan büyüklük problemlerinin

de önemli ölçüde aşılması demek. Dolayısıyla

ilk başta her ne kadar kulağa ürkütücü gelse de,

dünya medeniyetinin en önemli unsurlarından birini

temsil eden elektronik sistemler de bir gün ömrünü

doldurarak insanlığa veda edecek gibi görünüyor.