Entegre Devre Teknolojisi: ASIC, Mikroişlemciler ve FPGA

Hayatımızın neredeyse her alanında elektronik sistemlerle karşılaşmaktayız. Bu sistemler artık hayatımızın vazgeçilmez bir parçası olmuştur ve her yeni günde çeşitli elektronik devrelere sahip milyonlarca alet üretilmektedir. Bu elektronik devrelerin tasarlanıp üretilmesinde kullanılan teknolojiler de geçmişten günümüze büyük gelişim göstermiştir.

Devam etmeden önce Elektronik Mühendisi ve Programlama ve Gömülü Sistemler hakkındaki bu konuyla alakalı yazılarımı okumanızı tavsiye ederim.

Hep birlikte geçmişe gidelim. İlk başlarda sadece transistörler vardı. Bunları bir çeşit elektronik kuvvetlendirici veya anahtar olarak düşünebiliriz ama bunlar mevcut olan vakum tüplerine göre çok daha küçük boyuttaydılar. 1950’li yılların sonlarındaysa Jack Kilby’nin liderliğinde Texas Instruments ve diğer bazı şirketler birkaç transistörü bir parça silicon üzerine gömmeye çalıştılar ve sonrasında da ilk entegre devre (IC: Integrated Circuit) geliştirilmiş oldu. Bu buluş geçtiğimiz yüzyılın en önemli ve insan hayatını en çok etkileyen gelişmesiydi ve doğal olarak Jack Kilby’e Fizik dalında Nobel ödülünü kazandıracaktı.

1960’lı yılların başında ilk entegre (tümleşik) devrelerin geliştirilmesi, Mikroelektronik alanını ortaya çıkararak büyük bir yeniliğe imza atmıştır. Elektronik devreler çeşitli aktif ve pasif elemanları bünyesinde barındırır ve entegre devrelerde bütün bu elemanlar tek bir çip üzerine gömülüdür. Zaman içerisinde ihtiyaç duyulan performansa göre küçük, orta ve geniş ölçekte entegre devre tasarım teknikleri geliştirilmiştir. Sonrasında VLSI (Very Large Scale Integration – Çok Geniş Ölçekli Entegrasyon) teknolojisi ile birlikte on binlerce transistörü bünyesinde barındıran entegre devreler geliştirilmiştir. Bu entegre devreler genellikle belli bir uygulamaya özel olarak tasarlandıkları için ASIC (Application Specific Integrated Circuit – Uygulamaya Özel Entegre Devre) olarak adlandırılmaktadırlar. Entegre devreler geliştirilmeden önce vakum tüpler kullanılarak geliştirilen 30 tonluk oda büyüklüğündeki bilgisayarlar düşünüldüğünde, transistörlerin icadının ve VLSI teknolojisinin elektronikte bir devrim olduğu rahatlıkla anlaşılabilir.

ASIC’i spesifik bir uygulama için tasarlanmış bir çip olarak tanımlayabiliriz. Örnek olarak bir video kameranın içinde bulunan görüntü işlemeye yarayan elektronik çipi verebiliriz. Bununla birlikte ilk ASIC tasarımlar sadece lojik fonksiyonları gerçeklerken, günümüzde analog sinyalleri ve dijital sinyalleri işleyebilen ASIC tasarımlar da mevcuttur. Bu karışık sinyalli ASIC’ler özellikle bütün sistemin tek bir çip üzerinde (SoC: System on Chip – Çip Üzerinde Sistem) olmasından dolayı çok kullanışlı olmakta ve birçok uygulamada kullanılmaktadır.

ASIC tasarımlarının geliştirilmesi ve üretilmesi çok masraflıdır. Birim ürün başına düşen masrafı azaltmak için de genelde yüzbinlerce ürünün seri üretiminde bu teknoloji kullanılmaktadır. Beraberinde yüksek performans, düşük alan ve düşük güç tüketimi getirdiklerinden dolayı bugün dahi cep telefonlarında, bilgisayarlarda ve seri üretime uygun olan diğer birçok alanda kullanılmaktadır. 1970’lerde ise Intel’in geliştirdiği ilk mikroişlemci olan 4004 ile mikroişlemciler de piyasadaki yerini almaya başlamış ve bu yeni teknoloji ile birlikte, aynı entegreler tekrar tekrar programlanabilmiş ve kısıtlı da olsa fonksiyonellik sağlanabilmişti.

Bir mikroişlemci içerisindeki transistörler daha önceden belirlenmiş bazı komutları gerçekleştirmek için zekice dizilmişlerdir. Bu komutlar temelde toplama, çıkarma, karşılaştırma gibi matematiksel işlemlerdir aslında. Bir kod sayesinde mikroişlemciye hangi komutları hangi sırayla uygulaması gerektiğini söyleyerek o mikroişlemciyi yapması gereken iş, fonksiyon için programlamış oluruz. Farklı bir program sayesinde de yeni bir uygulama oluşturmuş oluruz aynı mikroişlemciyle. Ama mikroişlemcilerde komut kümesi sabittir ve kullanıcı kendi ihtiyacına göre bir komut oluşturamaz, elinden geldiğince mevcut komutları kullanarak uygulamasına çözüm bulmaya çalışır. Bu çoğu zaman yeterli olmaktadır ama performans ve diğer açılardan yeterli olmadığı diğer durumlarda başka çözümlere yönelmek gerekmektedir.

Mikrodenetleyiciler ise elektomekanik sistemleri yönetmek amacıyla bir mikroişlemci çevresinde yapılandırılmış bellek, programlanabilir giriş ve çıkışlar, analog-sayısal dönüştürücü, sinyal üretici, iletişim arabirimi, kristal salınım üretici gibi çevre birimlerinin tümleşik bir biçimde yani tek bir yonga şeklinde üretildiği gömülü sistem elemanlarıdır. Günümüzde entegre üretimi yapan Intel, Atmel, Microchip, Texas Instruments vb. birçok firma farklı özelliklere sahip mikrodenetleyiciler üretmektedir.

1985 yılında ise Xilinx firması ilk FPGA’i (Field Programmable Gate Array – Alanda/Sahada Programlanabilir Kapı Dizileri) geliştirmiş ve mikroişlemciler ile birlikte gelen fonksiyonellik üst seviyelere taşınmıştır. En başlarda performans olarak ASIC teknolojisinin çok gerisinde olan FPGA teknolojisinin, donanımın yani lojik hücrelerin ve bağlantıların tekrar tekrar programlanabilmesi ve paralel işlem yapabilme gibi imkânlarına sahip olması nedeniyle bu alanda araştırmaya ve geliştirmeye önem verilmiş ve günümüzde FPGA teknolojisi performans olarak ASIC teknolojisine çok yaklaşmıştır.

Sonuçta transistörlerin icadı ve sonrasında binlerce transistörü bünyesinde barındırabilen entegre devrelerin geliştirilmesiyle birlikte performans artmış; maliyet, güç tüketimi ve devrenin kapladığı alan azalmıştır. Bu sayede entegre devrelerin kullanımı yaygınlaşmıştır. Bugün dahi savunma sanayisinden otomotiv sektörüne, tüketici elektroniğinden yapay zekaya kadar birçok alanda entegre devreler kullanılmaktadır. 

Yazının devamı niteliğindeki FPGA ve Özellikleri ve FPGA Teknolojisinin Geleceği ve FPGA Tasarımınında Yol Haritası hakkındaki yazılarımı okuyabilirsiniz.