Geleceğin İşlemci Mimarisinin Hikayesi: Arm – Bölüm 1

0

BEĞENDİM

ABONE OL

News

0

1970’lerin sonlarında İngiltere’nin teknoloji sahnesinde ortaya çıkan Acorn Computers, eğitim pazarı için geliştirdiği kişisel bilgisayarlarla başlayan seyahatini, bugün dünya çapında milyarlarca aygıtta kullanılan ARM işlemci mimarisinin temellerini atarak taçlandırdı. Cambridge merkezli bu teşebbüs, başlangıçta basit kişisel bilgisayarlar üretirken, zamanla geliştirdiği yenilikçi teknolojilerle mobil bilişimin geleceğini şekillendiren küresel bir güce dönüştü. Bu dikkat çekici hikaye teknoloji tarihindeki en önemli başarılarından biri olarak kabul edildiğini söylemek mümkün. Dilerseniz başlayalım.

1983 yılıydı ve Acorn Computers doruktaydı. Ne yazık ki, zorluklar kapıdaydı.

İngiltere merkezli küçük şirket, BBC ile ulusal bir televizyon programı için bilgisayar üretme sözleşmesi kazanmasıyla ünlenmişti. BBC Micro’nun satışları hızla artıyor ve 1.2 milyon adedi aşması bekleniyordu.

Ancak kişisel bilgisayar dünyası değişiyordu. Ebeveynlerin çocuklarının ödevlerine yardımcı olması için alacağı ucuz 8-bit bilgisayarların pazarı doygunluğa ulaşıyordu. IBM PC ve yakında piyasaya çıkacak Apple Macintosh gibi yeni makineler, çok daha fazla güç ve kullanım kolaylığı vaat ediyordu. Acorn’un rekabet edebilmek için bir yola ihtiyacı vardı, ancak araştırma ve geliştirme için çok fazla parası yoktu.

BBC Micro’nun tasarımcılarından Sophie Wilson bu sorunu öngörmüş, Micro’ya daha güçlü bir merkezi işlem ünitesini bağlayabilecek “Tube” isminde bir yuva eklemişti. Bu yuva, yeni bir işlemcinin bilgisayarı yönetmesine olanak tanıyor, yepyeni 6502 çipini diğer misyonlar için serbest bırakıyordu.

Peki hangi işlemciyi seçmeliydi? Wilson ve ortak dizayncı Steve Furber, Intel’in 80286’sı, National Semiconductor’ın 32016’sı ve Motorola’nın 68000’i gibi çeşitli 16-bit seçenekleri değerlendirdi. Ancak hiçbiri tamamen tatmin edici değildi.

Durumu Wilson daha sonra Computing History Museum’a verdiği bir röportajda şöyle açıkladı: “Bu işlemcilerin neler yaptığını ve neler yapmadığını görebiliyorduk. İlk olarak yapmadıkları şey, bellek sistemini iyi kullanmamalarıydı. İkinci olarak yapmadıkları şey, hızlı olmamaları ve kullanımlarının kolay olmamasıydı. 6502’yi makine kodunda programlamaya alışkındık ve daha yüksek düzeyli bir lisanda yazarak aynı çeşitte sonuçlara ulaşabileceğimiz bir güç düzeyine ulaşmayı umuyorduk.”

Peki alternatif neydi? Küçücük Acorn’un sıfırdan kendi CPU’sunu yapması düşünülebilir miydi? Bunu öğrenmek için Wilson ve Furber, National Semiconductor’ın fabrikasına bir gezi düzenledi. Yüzlerce mühendis ve çok miktarda pahalı ekipman gördüler. Bu, böyle bir misyonun onların kapasitesinin ötesinde olabileceği kuşkularını doğruladı.

Ardından Arizona, Mesa’daki Western Design Center’ı ziyaret ettiler. Bu şirket, sevilen 6502’yi üretiyor ve 16-bit’lik halefi 65C618’i tasarlıyordu.

Birden, kendi CPU’larını yapmak mümkün görünmeye başladı. Wilson ve Furber’ın küçük ekibi daha önce BBC Micro için grafik ve giriş/çıkış çipleri gibi özel çipler yapmıştı. Ancak bu dizaynlar bir CPU’dan daha kolaydı ve daha az bileşene sahipti.

Zorluklara rağmen, Acorn’daki üst yönetim eforlarını destekledi. Hatta sadece dayanakla kalmadılar. Fizik doktorası olan Acorn’un kurucu ortağı Hermann Hauser, takıma yeni ve daha güçlü bir CPU çeşidini tanımlayan IBM araştırma makalelerinin kopyalarını verdi. Bu, “reduced instruction set computing” (azaltılmış komut kümeli hesaplama) anlamına gelen RISC olarak isimlendiriliyordu.

RISC tam olarak ne anlama geliyordu? Bu soruyu yanıtlamak için, CPU’ların nasıl çalıştığına dair anlaşılır bir özetleme yapalım. Her şey, farklı kimyasallarla karıştırılmış silikondan yapılmış küçük sandviç benzeri aygıtlar olan transistörlerle başlar. Transistörlerin üç bağlantısı vardır. Gate girişine bir voltaj verildiğinde, elektriğin source girişinden drain çıkışına serbestçe akmasına izin verir. Kapıda voltaj olmadığında, bu elektrik akışı durur. Böylece transistör kontrol edilebilir bir anahtar olarak çalışır.

Transistörleri birleştirerek mantık kapıları oluşturabilirsiniz. Örneğin, seri bağlı iki anahtar bir “AND” kapısı oluşturur ve paralel bağlı iki anahtar bir “OR” kapısı oluşturur. Bu kapılar bir bilgisayarın sayıları karşılaştırarak seçim yapmasını sağlar.

Peki sayılar nasıl temsil edilir? Bilgisayarlar, küçük bir müspet voltajı 1 sayısına ve voltaj olmamasını 0’a eşitleyerek ikili sayı sistemini (Base 2) kullanır. Bu 1’ler ve 0’lar bit olarak isimlendirilir. İkili aritmetik çok basit olduğu için, 0 veya 1’i 0 veya 1’e ekleyebilen ve hem toplamı hem de isteğe bağlı elde bitini depolayabilen ikili toplayıcılar yapmak kolaydır. 1’den büyük sayılar, aynı anda çalışan daha fazla toplayıcı eklenerek temsil edilebilir. Aynı anda erişilebilen ikili basamak sayısı, bir çipin “bitlik” ölçüsüdür. 6502 gibi 8-bit bir CPU, sayıları 8-bit’lik modüller halinde işler.

Aritmetik ve mantık birimi, bir CPU’nun yaptığı işin büyük bir kesimidir. Ancak insanların ona ne yapacağını söylemek için bir yola ihtiyacı vardır. Bu nedenle her CPU’nun bir komut seti vardır; bu, verileri belleğe girip çıkarmanın, matematik hesaplamalarının yapılmasının, sayıların karşılaştırılmasının ve programın farklı kısımlarına atlanmasının tüm yollarının bir listesidir.

RISC fikri, CPU’nun iç dizaynını kolaylaştıracak şekilde komut sayısını önemli biçimde azaltmaktı. 16-bit’lik Intel 80286’nın toplam 357 eşsiz komutu vardı. Sophie Wilson’ın oluşturduğu yeni RISC komut setinde sadece 45 komut olacaktı.

Bu kolaylaştırmayı gerçekleştirmek için Wilson bir “load and store” mimarisi kullandı. Klâsik (karmaşık) CPU’lar, iki dahili “register”dan (çipin kendi içindeki küçük bellek parçaları) sayıları toplamak veya harici bellekteki iki adresten sayıları toplamak ya da bunların kombinasyonları için farklı komutlara sahipti. Buna karşılık RISC çip komutları sadece register’lar üzerinde çalışacaktı. Ayrı komutlar daha sonra karşılığı register’lardan harici belleğe taşıyacaktı.

Bu, RISC CPU’lar için programların aynı sonucu üretmek için tipik olarak daha fazla komut gerektirdiği anlamına geliyordu. Peki nasıl daha hızlı olabilirlerdi? Bir cevap, daha basit dizaynın daha yüksek bir saat suratında çalıştırılabileceğiydi. Ancak başka bir neden de, daha karmaşık komutların bir çipin yürütmesi için daha uzun zaman almasıydı. Onları basit tutarak, her komutu tek bir saat döngüsünde yürütebilirdiniz. Bu, pipelining (borulama) adı verilen bir şeyi kullanmayı kolaylaştırıyordu.

Tipik olarak, bir CPU’nun komutları kademelerde işlemesi gerekir. Bellekten bir komut getirmesi, komutu çözmesi ve ardından komutu yürütmesi gerekir. Acorn’un tasarladığı RISC CPU’nun üç kademeli bir boru hattı olacaktı. Çipin bir parçası mevcut komutu yürütürken, başka bir parçası bir sonrakini getiriyordu ve böyle devam ediyordu.

RISC dizaynının bir dezavantajı, programlar daha fazla komut gerektirdiğinden bellekte daha fazla yer kaplamalarıydı. 1970’lerin sonlarında, ilk nesil CPU’lar tasarlanırken, 1 megabayt bellek yaklaşık 5.000 dolara mal oluyordu. Bu nedenle programların bellek boyutunu azaltmanın herhangi bir yolu (ve karmaşık bir komut setine sahip olmak bunu yapmaya yardımcı olurdu) kıymetliydi. Intel 8080, 8088 ve 80286 gibi çiplerin bu kadar çok komutu olmasının nedeni buydu.

Ancak bellek fiyatları hızla düşüyordu. 1994’e gelindiğinde, o 1 megabayt 6 doların altına inecekti. Bu nedenle bir RISC CPU için gereken ekstra bellek gelecekte çok daha az sorun olacaktı.

Yeni Acorn CPU’sunu geleceğe daha da hazır hale getirmek için ekip 16 biti atlayıp doğrudan 32-bit dizayna geçmeye karar verdi. Bu aslında çipi dahili olarak daha basit hale getirdi çünkü büyük sayıları o kadar sık parçalamanız gerekmiyordu ve tüm bellek adreslerine doğrudan erişebiliyordunuz. (Aslında, ilk çip 32 adres hattının sadece 26 pinini açığa çıkardı, çünkü 2’nin 26. kuvveti olan 64MB, o zamanlar için gülünç miktarda bir bellekti.)

Şimdi takımın ihtiyacı olan tek şey yeni CPU için bir isimdi. Çeşitli seçenekler değerlendirildi, ancak sonunda Acorn RISC Machine veya kısaca ARM olarak isimlendirildi.

İlk ARM çipinin geliştirilmesi 18 ay sürdü. Tasarımı silikona dökmeden önce ekip, paradan tasarruf etmek için tasarımı test etmeye çok zaman harcadı. Furber, BBC Micro üzerinde yorumlanan BASIC’te ARM CPU için bir emülatör yazdı. Bu doğal ki inanılmaz derecede yavaştı, ancak konsepti kanıtlamaya ve Wilson’ın komut setinin tasarlandığı gibi çalışacağını doğrulamaya yardımcı oldu.

Wilson’a göre, geliştirme süreci tezli ama kolaydı.

“Çılgın olduğumuzu düşünüyorduk” dedi. “Bunu yapamayacağımızı düşünüyorduk. Ama gerçek bir durma noktası olmadığını daima keşfediyorduk. Sadece işi yapmak sorunuydu.”

Furber çipin kendisinin sistemi ve dizaynının birçoklarını yaparken, Wilson komut setine odaklandı. Ancak gerçekte, iki iş derinden iç içe geçmişti. Her komut için kod numaralarını seçmek rastgele yapılmaz. Her numara, ikili sayılara çevrildiğinde, komut yolu boyunca uygun tellerin doğru çözme ve yönlendirme devrelerini aktive edeceği şekilde seçilir.

Test süreci olgunlaştı ve Wilson daha gelişmiş bir emülatör yazan bir gruba liderlik etti. “Saf komut simülatörleriyle, bir 6502 ikincil işlemcisinde saniyede yüz binlerce ARM komutu çalıştıran şeylere sahip olabilirdik,” diye açıkladı. “Ve çok büyük miktarda yazılım yazabilir, BBC BASIC’i ARM’a ve diğer her şeye, ikincil işlemciye, işletim sistemine aktarabilirdik. Ve bu bize giderek artan miktarda güven verdi. Bu şeylerin bazıları, ARM makine kodunu yorumlamamıza rağmen, daha önce gördüğümüz her şeyden daha iyi çalışıyordu. ARM makine kodunun kendisi o kadar yüksek performanslıydı ki, yorumlanmış ARM makine kodunun sonucu genellikle aynı platformdaki derlenmiş koddan daha güzeldi.”

Bu şaşırtan sonuçlar küçük ekibi işi bitirmeye teşvik etti. İlk ARM CPU’nun tasarımı, Amerikan yarı iletken üretim firması VLSI Technology Inc.’de üretilmek üzere gönderildi. Çipin ilk versiyonu 26 Nisan 1985’te Acorn’a geri döndü. Wilson onu BBC Micro’nun Tube yuvasına taktı, ARM’a aktarılmış BBC BASIC versiyonunu yükledi ve özel bir PRINT komutuyla test etti. Çip “Merhaba Dünya, ben ARM’ım” diye cevap verdi ve ekip kutlamalara başlamıştı.

Bir an durup bunun ne kadar şaşırtan bir başarı olduğunu düşünelim. Tüm ARM tasarım ekibi Sophie Wilson, Steve Furber, birkaç ek çip dizayncısı ve test ve doğrulama yazılımı yazan dört kişilik bir gruptan oluşuyordu. Gelişmiş bir RISC dizaynına dayanan bu yeni 32-bit CPU, 10’dan az kişi tarafından yaratıldı ve ilk seferde doğru çalıştı. Buna karşılık, National Semiconductor 32016’nın 10. revizyonuna ulaşmıştı ve hala kusurlar buluyordu.

Acorn ekibi bunu nasıl başardı? ARM’ı mümkün olduğunca basit olacak şekilde tasarladılar. V1 çipinde sadece 27000 transistör vardı (80286’da 134.000 vardı) ve 3 mikrometre süreçte üretilmişti – yani günümüz CPU’ları hesabına göre bu 3000 nanometre! Bu büyüklükte, neredeyse tek tek transistörleri gözle görmek mümkün.

Peki bu cesaretli küçük ARM V1 ne kadar iyi performans gösterdi? Mukayeseli testlerde, aynı saat suratında bir Intel 80286’dan yaklaşık 10 kat daha hızlı ve 17 MHz’de çalışan 32-bit bir Motorola 68020’ye eşdeğer olduğu bulundu.

ARM çipi ayrıca çok düşük güçte çalışacak şekilde tasarlanmıştı. Wilson bunun tamamen bir maliyet tasarrufu tedbiri olduğunu açıkladı – ekip çip için seramik yerine plastik bir kasa kullanmak istiyordu, bu yüzden azamî 1 watt’lık güç kullanımı hedefi belirlediler.

Ancak güç tahminlemesi için sahip oldukları araçlar ilkeldi. Sınırı aşmamak ve plastiği eritmemek için, her tasarım ayrıntısında çok çekimser davrandılar. Dizaynın kolaylığı ve düşük saat hızı nedeniyle, gerçek güç çekimi 0.1 watt oldu.

Aslında, grubun ARM’ı taktığı ilk test kartlarından birinin bağlantısı kopuktu ve hiç güce bağlı değildi. Yanılgıyı bulduklarında büyük bir sürpriz oldu çünkü CPU tüm bu süre boyunca çalışıyordu. Sadece destek çiplerinden gelen elektriksel sızıntıdan açılmıştı.

Wilson’a göre ARM çipinin inanılmaz derecede düşük güç çekimi “tam bir kaza’ydı”, ancak bu daha sonra önemli hale gelecekti.

Yani Acorn’un, rakiplerinin yıllar önünde olan bu inanılmaz teknolojisi vardı. Mutlaka finansal başarı yakında gelecekti, değil mi? Eh, bilgisayar tarihini takip ediyorsanız, muhtemelen yanıtı tahmin edebilirsiniz.

1985’e gelindiğinde, BBC Micro’nun satışları bir yanda ucuz Sinclair Spectrum’lar, diğer yanda IBM PC klonları arasında sıkışmaya başlamıştı. Acorn, daha önce BBC Micro için yazıcı yapmak üzere iştirak kurduğu Olivetti’ye şirketindeki denetimi devretti. Genel olarak, bilgisayar firmanızı bir daktilo şirketine satıyorsanız, bu iyi bir işaret değildir.

Acorn, ARM çipli bir geliştirme kartını araştırmacılara ve hobi sahiplerine sattı, ancak bu mevcut BBC Micro sahipleriyle sonluydu. Şirketin ihtiyacı olan şey, bu yeni CPU’nun gücünü gerçekten gösterecek yepyeni bir bilgisayardı.

Bunu yapabilmeden önce, orjinal ARM’ı biraz yükseltmesi gerekiyordu. ARM V2 1986’da çıktı ve yardımcı işlemcilere (o zamanlar bilgisayarlar için popüler bir eklenti olan kayan nokta yardımcı işlemcisi gibi) destek ve yerleşik donanım çarpma devreleri ekledi. 2 mikrometre süreçte üretildi, bu da Acorn’un daha fazla güç tüketmeden saat suratını 8 MHz’e çıkarabileceği anlamına geliyordu.

Ancak tam bir bilgisayar yapmak için tek başına bir CPU yeterli değildi. Bu nedenle ekip bir grafik denetleyici çipi, bir giriş/çıkış denetleyici ve bir bellek denetleyici yaptı. 1987’ye gelindiğinde, ARM V2 dahil dört çipin tümü, içine koyacakları prototip bir bilgisayarla birlikte hazırdı. Şirket, gelişmiş düşünme yeteneklerini yansıtmak için ona Acorn Archimedes ismini verdi.

1987 olduğu göz önüne alındığında, kişisel bilgisayarların artık sadece BASIC komutları yazmak için bir istemle donatılması bekleniyordu. Kullanıcılar Amiga, Atari ST ve Macintosh’ta olduğu gibi güzel grafiksel kullanıcı arayüzleri talep ediyordu.

Acorn, Xerox PARC’ın merkezi olan Palo Alto, Kaliforniya’da Archimedes için yeni nesil bir işletim sistemi tasarlamak üzere uzak bir yazılım geliştirme ekibi kurmuştu. ARX adı verilmişti ve önalıcı çoklu görev ve çoklu kullanıcı desteği vaat ediyordu. ARX yavaştı, ama daha büyük sorun geç kalmasıydı. Çok geç.

Acorn Archimedes gönderilmeye hazırlanıyordu ve şirketin üzerinde çalıştıracak bir işletim sistemi yoktu. Bu bir kriz durumuydu. Bu yüzden Acorn yönetimi, BBC Micro için bir sürü dil yazan Acornsoft takımının başı Paul Fellows’la konuşmaya gitti. Ona “Sen ve takımın beş ay içinde Archimedes için bir işletim sistemi yazıp gönderebilir misiniz?” diye sordular.

Fellows’a göre, “Evet, yapabiliriz diyen aptal bendim.”

Sıfırdan bir işletim sistemi yapmak için beş ay çok uzun bir süre değil. Bu projeye “Project Arthur” denildi, muhtemelen ünlü İngiliz bilgisayar bilimcisi Arthur Norman’dan sonra, ama aynı zamanda muhtemelen “ARm by THURsday!” (ARM Perşembe’ye!) sözlerinin kısaltması. BBC BASIC’in bir uzantısı olarak başladı. Richard Manby, grubun geliştirdiği pencere yöneticisiyle neler yapabileceğinin sadece bir gösterimi olarak BASIC’te “Arthur Desktop” isimli bir program yazdı. Ama vakitleri kalmamıştı, bu yüzden demo ilk parti bilgisayarların salt okunur belleğine (ROM) yazıldı.

İlk Archimedes modelleri Haziran 1987’de, bazıları hala BBC markasını taşıyarak piyasaya sürüldü. Bilgisayarlar katiyen süratliydi ve para için iyi bir mutabakattı – giriş fiyatı 800 sterlin’di, ki o zamanlar yaklaşık 1.300 dolar olurdu. Bu, 1987’de 5.500 dolara mal olan ve benzer hesaplama gücüne sahip bir Macintosh II ile karşılaştırıldığında uygundu.

Ancak Macintosh’ta PageMaker, Microsoft Word ve Excel ile birlikte tonlarca başka kullanışlı yazılım vardı. Archimedes yeni bir bilgisayar platformuydu ve piyasaya sürüldüğünde çok fazla yazılım yoktu. Bilgisayar dünyası hızla IBM PC uyumlu bilgisayarlara ve Macintosh’lara (ve birkaç yıl daha Amiga’lara) yakınsıyordu ve diğer herkes kendini dışarıda kalmış buldu. Archimedes bilgisayarları İngiltere basınında iyi değerlendirmeler aldı ve tutkulu bir hayran kitlesi kazandı, ancak ilk birkaç yıl içinde 100.000’den az sistem satıldı.

Acorn, Arthur’daki yanlışları düzeltmek ve daha çağdaş özelliklere sahip bir yedek işletim sistemi, RISC OS üzerinde çalışmak için hızla harekete geçti. RISC OS 1989’da piyasaya sürüldü ve kısa süre sonra ARM CPU’nun yeni bir revizyonu, V3 takip etti.

V3 çipi 1.5 mikrometre süreçte üretildi, bu da ARM2 çekirdeğinin boyutunu mevcut alanının yaklaşık dörtte birine küçülttü. Bu, 4 kilobayt hızlı seviye-1 önbellek belleği eklemek için yer bıraktı. Saat hızı da 25 MHz’e yükseltildi.

Bu iyileştirmeler etkileyici olsa da, Sophie Wilson gibi mühendisler ARM çipinin daha da ileriye götürülebileceğine inanıyordu. Ancak Acorn’un hızla azalan kaynaklarıyla yapılabileceklerin sınırları vardı. Bu hayalleri gerçekleştirmek için ARM takımının dışarıdan bir yatırımcı araması gerekiyordu.

Ve işte tam o sırada, popüler bir meyve ismini taşıyan başka bir bilgisayar şirketinin temsilcisi kapıdan içeri girdi.

Hikayenin devamı için Technopat’ı takip etmeyi unutmayın.

Kaynakça: A history of ARM – Ars Technica, How an obscure British PC maker invented ARM and changed the world – Ars Technica

Diğer Teknoloji Haberleri İçin Tıklayın / Bursa Haber – Bursa Gündem – Bursa Gündem Haber – Bursa Haberleri – Bursa Son Dakika 

Bizi İnstagram’da Takip Edebilirsiniz / @BursaGündemHaber

Bizi X’de Takip Edebilirsiniz / @BursaGündemHbr

Bizi Facebook’da Takip Edebilirsiniz / @BursaGündemHaber

Bizi Youtube’da Takip Edebilirsiniz / @BursaGündemHaber

Bizi Linkedin’de Takip Edebilirsiniz / @BursaGündemHaber