Dördüncü nesil bilgisayarların eleman tabanı teknolojileri ve özellikleri
Dördüncü nesil bilgisayarların (1970–1980'ler) eleman tabanı, Büyük Entegre Devreler (BID) ve Çok Büyük Entegre Devreler (ÇBID) olmuştur. Bu dönemin önceki aşamalardan en önemli farkı, bilgisayarların ayrı transistörlerden veya küçük entegre devrelerden monte edilmesi yerine, binlerce ve milyonlarca bileşenin tek bir silikon çip üzerine yerleştirilmesine geçiş olmasıydı. Bu durum, mikroişlemcilerin ortaya çıkmasına, maliyetin, boyutların ve enerji tüketiminin dramatik şekilde düşmesine ve kişisel bilgisayarlar çağının başlamasına yol açtı.
Eleman tabanının temel teknolojileri
Dördüncü nesil, sadece eski bileşenlerin iyileştirilmesiyle değil, yarı iletken üretim teknolojisinde niteliksel bir sıçrama ile karakterize edildi.
Büyük ve çok büyük entegre devreler (BID ve ÇBID)
Üçüncü nesilde onlarca veya yüzlerce eleman içeren Küçük (KID) ve Orta Ölçekli (OÖID) entegre devreler kullanılırken, dördüncü nesil aşağıdaki ölçeklerde işlem yaptı:
- BID (Large Scale Integration, LSI): Tek bir çip üzerinde 1.000 ila 10.000 transistör. Aritmetik-mantıksal birimler veya bellek blokları gibi tüm fonksiyonel düğümlerin entegre edilmesine olanak tanıdı.
- ÇBID (Very Large Scale Integration, VLSI): Çip başına 10.000'den fazla transistör (dönemin sonunda yüz binlere ulaştı). Tam teşekküllü bir merkezi işlemcinin tek bir çip üzerinde oluşturulmasını mümkün kılan tam olarak ÇBID teknolojisidir.
Önemli bir detay: Nesiller arasındaki sınır belirsizdir. 70'lerin erken dönem makineleri sıklıkla OÖID/BID hibritleri kullanırken, 80'lerin ortalarına gelindiğinde ÇBID hakim duruma geldi. Kriter, işlemci çekirdeğinin tek bir çipe yerleştirilmesine izin veren entegrasyon derecesidir.
Planar teknoloji ve silikon
İlk transistörlerde kullanılan germanyum, tamamen silikon tarafından tahtından edildi. Silikon planar teknoloji şunları sağladı:
- Daha kararlı p-n eklemlerinin oluşturulması.
- Fotolitografi sayesinde üretimin ölçeklendirilmesi.
- Bileşenlerin sıcaklık dayanıklılığının ve güvenilirliğinin artırılması.
Yüksek yoğunluklu mantık için bipolar transistörler yerine MOS transistörlerin (Metal-Oksit-Yarı İletken, CMOS ve NMOS teknolojileri) kullanımı standart haline geldi, çünkü bunlar statik modda çok daha az enerji tüketiyordu.
Önceki nesillerden temel farklar
Yeni eleman tabanına geçiş, hesaplama tekniklerinin mimarisini ve ekonomisini kökten değiştirdi.
| Özellik | 3. nesil (KID/OÖID) | 4. nesil (BID/ÇBID) |
|---|---|---|
| Temel eleman | Düşük entegrasyon dereceli entegre devreler | Büyük ve çok büyük entegre devreler |
| Merkezi İşlem Birimi (CPU) | Çok sayıda kart ve modülden oluşuyordu | Tek veya birkaç çip üzerinde yer alıyordu (mikroişlemci) |
| İşlem Hızı | Saniyede milyonlarca işlem | Saniyede onlarca ve yüzlerce milyon işlem |
| Enerji Tüketimi | Yüksek, güçlü soğutma gerektiriyordu | Düşük, özellikle CMOS'a geçişle birlikte |
| Güvenilirlik | Ortalama (binlerce lehim noktası ve bağlantı) | Yüksek (minimum harici bağlantı) |
| Maliyet | Çok yüksek, sadece şirketler ve devlet kurumları erişebiliyordu | Fiyatta kitlesel düşüş, küçük işletmeler ve bireyler için erişilebilirlik |
Mikroişlemcinin ortaya çıkışı
Kilit olay, mikroişlemcinin icadıydı (1971'de Intel 4004, ardından 8008, 8080, Zilog Z80, Motorola 6800). Mikroişlemci, tek bir entegre devre olarak gerçekleştirilen bir CPU'dur.
- 4. nesilden önce: İşlemci, dolapları kaplayan dağıtık bir sistemdi.
- 4. nesilde: İşlemci, ayrı olarak satın alınıp karta takılabilen bir bileşen haline geldi.
Bu, tasarım yaklaşımını değiştirdi: Mühendisler her görev için benzersiz bir mimari oluşturmak yerine, gerekli çevre birimleriyle desteklenen standart mikroişlemcileri kullanmaya başladılar.
Mimari ve yazılım üzerindeki etkisi
Yeni eleman tabanı, yazılım ve sistem geliştirme için yeni kurallar getirdi.
- Komut setlerinin standardizasyonu (ISA). Aynı mikroişlemci farklı makinelerde kullanılabildiği için, yazılım uyumluluğu ihtiyacı doğdu. Yazılımın tek bir mimari sayesinde farklı modellerde çalıştığı bilgisayar aileleri ortaya çıktı (örneğin IBM System/370, daha sonra x86).
- Bellek hiyerarşisi. İşlemcilerin yüksek hızı, ana belleğe erişim hızında "dar boğaz" olduğunu ortaya çıkardı. Bu da, yine yüksek hızlı BID tabanlı olarak uygulanan önbellek belleğin (cache) tanıtılmasına yol açtı.
- Pipelining (Boru hattı işleme). Çipin dahili kaynaklarına erişimin basitleşmesi, talimatların boru hattı yöntemiyle işlenmesini sağladı; böylece birkaç komut farklı aşamalarda eşzamanlı olarak yürütülebildi.
Bugün neden önemli? Modern akıllı telefonlar ve dizüstü bilgisayarlar, 4. nesil bilgisayarlarla aynı ilkeleri kullanır, ancak nanometre teknolojileri (nanoelektronik) seviyesinde. BID'ye geçişi anlamak, Moore Yasası'nın (transistör sayısının her 2 yılda bir katlanması) neden sonraki 40 yıl boyunca BT endüstrisinin itici gücü olduğunu kavramaya yardımcı olur.
Konuyu anlamadaki yaygın hatalar
Bilgisayar tarihini çalışırken sıkça yapılan aşağıdaki yanlışlıklar vardır:
- Hata: "4. nesilde transistörler kullanıldı."
- Düzeltme: Transistörler 2. neslin temel elemanıydı. 4. nesilde, içinde transistörler barındıran entegre devreler kullanıldı. Önemli olan entegrasyon derecesidir.
- Hata: "Kişisel bilgisayarlar sadece 5. nesilde ortaya çıktı."
- Düzeltme: Kişisel bilgisayarlar (Apple II, IBM PC), mikroişlemciler (MOS 6502, Intel 8088) üzerine inşa edilen tam olarak 4. neslin parlak temsilcileridir. 5. nesil (80'lerin konsepti), yapay zeka ve paralel hesaplama girişimleriyle ilişkilidir, ancak planlandığı şekilde ticari olarak kitlesel hale gelmemiştir.
- Hata: "4. nesilde germanyum kullanıldı."
- Düzeltme: Germanyum, 60'ların sonunda neredeyse tamamen silikona yerini bırakmıştı. 4. nesil, saf silikon çağıdır.
SSS
Dördüncü nesil bilgisayarlar ne zaman başladı ve bitti? Tahmini çerçeve: 1970'lerin başından (ilk mikroişlemcilerin ortaya çıkışı) 1980'lerin ortalarına/sonuna kadar. Bazı sınıflandırmalar, hala ÇBID tabanlı von Neumann mimarisini kullandığımız için bunu günümüze kadar uzatır, ancak genellikle 5. nesil (paralel sistemler, yapay zeka) ve modern sinir ağı/kuantum trendleri ayrı olarak ele alınır.
ÇBID nedir, basitçe anlatır mısınız? Çok Büyük Entegre Devre (ÇBID), on binlerce ve daha fazla elektronik bileşenin (transistörler, dirençler, kondansatörler) yerleştirildiği bir entegre devredir. ÇBID sayesinde bilgisayarın tüm "beyni", tırnak boyutundaki bir plakaya sığdı.
İlk mikroişlemci hangisi kabul edilir? Resmi olarak ilk ticari mikroişlemci, 1971 yılında piyasaya sürülen Intel 4004 kabul edilir. 4-bitlikti ve başlangıçta hesap makineleri için tasarlanmıştı, ancak CPU'nun tek bir çip üzerinde entegre edilebileceğini kanıtladı.
BID'nin ayrık transistörlere göre temel avantajı nedir? Temel avantaj güvenilirlik ve hızdır. Ayrık transistörlerden oluşan bir devrede, sinyali yavaşlatan parazitik kapasitans yaratabilen veya kopabilen binlerce lehim noktası ve kablo bulunur. BID'de tüm bağlantılar çip içinde mikro düzeyde yapıldığından, cihaz kompakt, hızlı ve son derece güvenilir hale gelir.