Cep telefonları her yıl daha da güçleniyor. Bilhassa de son yılları şöyle bir düşündüğümüzde, kullanılan çipler ve tüm teknolojilerin çok süratli biçimde geliştiğine şahit olduğumuzu söyleyebiliyoruz.
Bugün üst seviye bir akıllı telefon, orta düzey yahut birkaç jenerasyon eskimiş bir bilgisayardan çok daha güçlü olabilir. CPU’nun yanı sıra, daha güçlü entegre grafikler sayesinde grafik sürece performansı da çok uygun düzeylerde. Hatta Intel entegre grafiklere sahip bir ultrabook’tan daha güçlü grafik performansı görmek mümkün.
Ancak bu güce karşın neden telefonlar (ve tabletler) bir fana gereksinim duymuyor? Bilgisayar kullanıcıları koca koca soğutma sistemleriyle ilgilenirken, epeyce küçük ve güçlü olan aygıtlar nasıl sıkıntısız çalışabiliyor?
Telefon üreticileri, yıllardır aygıtlarını mümkün olduğunca ince ve hafif hale getirmek harcadılar. Bu tarafta çalışmalar ve yatırımlar yaptılar. Şayet fanları hesaba katmak zorunda olsalardı, daima cebimizde taşıdığımız telefonlar birkaç milimetre kalınlığında olmazdı.
Fanlar yapısı gereği hantaldır ve hareket etmek için alana gereksinim duyarlar. Ayrıyeten çok kullanıma ve dikkatsizliğe maruz kaldıklarında çabuk bozulabilirler. Telefonlar küçük boyutu nedeniyle hayatımızın ayrılmaz bir modülü. Spor yaparken, yere çıktığınızda, yatağınızda ve her yerde. Şayet akıllı telefonlar etkin fana sahip olsaydı, dikkatsiz davrandığınızda geri kalanı sağlam halde olsa bile fanları muhtemelen ziyan görürdü. Ziyan gördüğünde ise çok ısınmalar meydana gelirdi, performans düşüklüğünün yanı sıra farklı arızalar yaşanabilirdi.
Eğer bir şeyde fanlı soğutma kullanıyorsanız, mevcut alan muhakkak dar ve sıkışık olmamalı. Ağır iş yükleriyle çalışırken dizüstü bilgisayarınızı yastığın üzerine koyun ve neler olduğunu izleyin. Yüksek ihtimalle süratle yüksek sıcaklıklara ulaşacaktır.
Şimdi dizüstü bilgisayarınızın daha küçük bir versiyonunu cebinizde taşıdığınızı hayal edin. Çok ısınmasa bile bir noktada kapanacaktır. Pil ömrü de muhakkak olumsuz etkilenecek.
GPU yahut CPU olsun, bir işlemcinin güç verimliliğini tartmaya kalkarken genelde anahtar bir tabire bakarız: Termal Tasarım Gücü (Thermal Design Power, TDP). TDP ekseriyetle watt cinsinden listelenir ve CPU’nun tam yük altında çalışırken üretmek üzere tasarlandığı azamî ısı ölçüsünü gösterir. Direkt ne kadar güç çekildiğini söylemez, lakin bir üst hudut ve fikir verir.
Akıllı telefon ve tabletlerinizde kullandığınız işlemciler, birtakım istisnalar hariç olmak kaydıyla masaüstü, dizüstü, HEDT ve sunucu işlemcilerinden farklıdır. Küçük taşınabilir aygıtlarda güç verimliliğine odaklanan SoC’ler, çekirdekler ve komut setleri benimsenmekte.
- ARM ve x86 İşlemci Mimarileri Karşılaştırması
- ARM vs RISC-V: Beğenilen İşlemci Mimarileri Ortasındaki Farklar
Telefonlarınızda yer alan işlemci çekirdekleri, ARM komut seti mimarisi üzerine inşa edilmiştir. AMD ve Intel üzere işlemciler ise x86 komut seti mimarisiyle üretiliyor. Daha yüksek kas gücüne ve performansa hitap ederken, daha yüksek TDP bedellerine çıkılıyor.
Örnek olarak Qualcomm Snapdragon 8 Gen 3, en kuvvetli oyunları oynayabilen premium akıllı telefonlar için tasarlanmış üst sınıf bir taşınabilir işlemci. Pekala tüm her şeyi yapabilen bu SoC ne kadar TDP pahasına sahip dersiniz? Yalnızca 12,5W. Bu bedel birinci Snapdragon çiplerin 5W’lık kıymetinden daha yüksek olsa da, güç tüketimi bakımından en alt düzeyde olan bir Intel CPU ile karşılaştırılabilir düzeyde.
Masaüstü işlemciler bugün 125W üzere TDP’lerle listelense bile, azamide 250-300W üzere pahalar havada uçuşuyor. Bir öbür misal, GeForce RTX 4090 ekran kartının TDP pahası 450W. Daha sonrasında piyasaya sürülen yeni amiral gemisi GeForce RTX 5090 ise 575W üzere geçmişte hayal edemeyeceğimiz TDP bedeliyle satışa sunuldu.
Ayrıca bahsettiğimiz güç tüketimi bilgisayarın yalnızca bir bileşeni için geçerli. Bu seviyede bir güç kullanımı, pille çalışması gereken taşınabilir aygıt için asla uygun değil ve ayrıyeten pasif soğutmanın kaldırabileceğinden daha fazla ısı üretir. Masaüstü ve dizüstü bilgisayarların fana gereksinim duyarken telefonunuzun gereksinim duymamasının bir nedeni de bu. Bu birebir vakitte telefonların, ne kadar ilerlemiş olurlarsa olsunlar, şimdi özel bir oyun bilgisayarının grafik performansına erişememesinin biri.
Pekala telefon işlemcileri hem güçlü hem de verimli olmayı nasıl başarıyor? Prosedürler ortasında sıcaklığa hassas zamanlama (sıcak işlemcileri soğuk olanlar lehine yavaşlatma), trafik azaltma (ağ trafiğini çip üzerinden sıcak noktalardan kaçınacak halde yönlendirme) ve saat geçişi (işlemci mantığını her seferinde birkaç mikrosaniye durdurma) üzere şeyler yer alıyor.
Akıllı telefon tasarımcılarının aygıtlarını serin tutmaları için elinde hangi kozlar var? Kısaca hususlar halinde ele alalım:
İşlemci Kısma ile Dinamik Termal İdare (DTM)
Ayrıca akıllı telefonlar üzere küçük aygıtlarda büyük CPU’lar yerine çip üzerinde sistem (System-on-Chip, SoC) dediğimiz farklı bir tasarım kullanılmakta. SoC dediğimiz entegre devrenin içinde yalnızca CPU ve GPU değil, daha birçok gereksinim duyulan bileşen bulunabilir. Yani tüm donanımlar tek bir yerde toplanırken birbiriyle ahenk içinde hareket eden, epeyce verimli sistemler inşa ediliyor. Bundan birazdan daha ayrıntılıca bahsedeceğiz.
Akıllı telefon termal idare dizaynında birinci kural; serin tutma işi iç kısımlardan başlar. Bir ARM çipindeki işlemci, bir akıllı telefondaki ana ısı kaynaklarından biridir. Sıcak noktalar güç sızıntılarına, performans kaybına ve nihayetinde çipin bozulmasına yol açabilir. Bir akıllı telefonun içine bir fan sığdıramasanız da, yüksek performanslı yükler sırasında ısı oluşumunu azaltmak için işlemci kısıtlama özelliğini kullanabilirsiniz. İşte kimi teknikler:
- Sıcaklığa Hassas Çizelgeleme: CPU aktivitesine ve aygıtınızın içine yerleştirilmiş sıcaklık sensörlerinden gelen geri bildirimlere nazaran belirlenen sıcak süreçlerin yavaşlatılmasını içeren bir yazılım tekniği.
- Termal Yönetim: Dağıtılmış trafik azaltma olarak da bilinen teknik, sıcak noktalardan kaçınmak için yonga seti boyunca ağ trafiğini yönlendirme süreçlerini içeriyor. 3D güç yoğunluğu azaltılıyor ve ısıyı yonga setindeki ısı emiciye en yakın kalıba yönlendirmek için kullanılabiliyor.
- Saat Geçişi: Küresel saat geçişi, işlemci mantığının büyük bir kısmının bir seferde birkaç mikrosaniye için durdurulmasıyla kontaklı. Evvelki yazılım tekniklerine nazaran performansı daha fazla düşürebilir, fakat soğutma tesiri daha yüksektir.
- Dinamik Voltaj ve Frekans Ölçeklendirme (DVFS): DVFS, GPU ve CPU’nun frekanslarını ayarlayarak performans ve güç tüketimini dengelemeye fayda. Süreçler yavaşlatılırken, işlemci çalışmaya devam eder ve sıcaklık süratle düşürülebilir.
- Etkinlik Geçişi: Bu teknik, genel güç yoğunluğunu azaltmak için çipin daha soğuk bölgelerindeki yedek üniteler üzerinde hesaplamalar yapılmasını sağlamakta.
Malzeme Seçimi
Malzeme seçimi, akıllı telefon sıcaklıklarının düşük tutulmasında büyük bir tesire sahip olabilir:
- Alüminyum/Bakır: Aşina olduğunuz bu malzemeler, her yerde bulunmaları, bütünlükleri ve yüksek termal iletkenlikleri nedeniyle akıllı telefon dizaynında kullanılan epeyce standart gereçlerdir. Ekseriyetle telefondaki PCB için takviye olarak kullanılır. Alüminyum, hem estetik çekicilik hem de etrafa termal yayılımı kolaylaştırmak için kasayı ve kasanın kendisini oluşturmak için de kullanılabilir.
- Grafit/Grafen: Karbonun kristalin allotropu (aynı hususun uzaydaki farklı yönelimleri), kurşun kalemden pil elektrotlarına kadar her şeyde kullanılmıştır. Kusursuz termal ve elektriksel özellikleri nedeniyle, akıllı telefonların bataryasında ve pasif soğutma sistemi olarak kullanılabileceği ısı dağıtıcı plakada yer alabilir. Grafen tek katmanlı (bir atom kalınlığında) bir grafit; bu da ona daha da uygun termal, elektriksel ve yapısal özellikler kazandırır (elmastan 40 kat daha güçlüdür).
Isı Dağılımı
Şimdi de akıllı telefon içinde ısıyı dağıtmak için kullanılan yapılara daha yakından bakalım.
- Isı Emiciler (Heat Sinks): Konvektif soğutma için kullanılabilir yüzey alanını artırmak için fanlar, pinler ve öteki geometri taraflarını kullanan pasif ısı değiştiriciler. Akıllı telefon mimarileri, fan eksikliği nedeniyle nadiren gerçek ısı alıcıları kullanır.
- Isı Dağıtıcılar (Heat Spreaders): Grafit üzere termal iletkenliği yüksek gereçten yapılmış düz bir plaka, ısıyı PCB’den çekip akıllı telefonun dış kasasına (genellikle alüminyum) iletmek için kullanılır ve bu da ısıyı kasadan atmosfere iletir. Bu, birden fazla çağdaş akıllı telefon tasarımı için tercih edilen ısı dağıtma özelliği.
- Soğuk Plakalar: Akıllı telefonlarda etkin soğutma ender de olsa mevcut. Grafen ısı dağıtıcılar halihazırda kusursuz pasif soğutma sağlamakta. Grafenden bir akım geçirdiğinizde bu ısı dağıtıcıyı termoelektrik soğutma yoluyla etkin bir soğuk plakaya dönüştürmek mümkün.
- Isı Boruları (Heat Pipes): Bir ısı dağıtıcıyı soğuk plakaya dönüştürmenin başka bir yolu da ısı boruları kullanmaktan geçer. Kıymetli olsa da, bu tasarım yüzeyler ortasındaki ısı alışverişini artırmak için bir sıvının kullanıldığı endüstriyel ölçekli ısı eşanjörlerini yansıtır. Akıllı telefon içinde su üzere bir sıvı kullanmak çok tehlikeli olabilir. Lakin Samsung, S7, S8 ve S9 üzere aygıtlarda suyla dolu bakır borular kullanmayı başardı.
Bu noktada kullanılan yazılımlar pek değerli değil üzere görünebilir, lakin güç verimliliği açısından değerlidir. Çok kaynak tüketen kuvvetli oyun ve uygulamalar daha yüksek güç tüketir. Ayrıyeten makus yazılmış kodlar ve optimize olmayan yazılımlar da tıpkı halde. Şayet bir uygulama daima olarak ağa ping atıyorsa, daima olarak art plan süreçlerinin uykudan uyanmasını gerektiriyorsa, aygıtınızın daha fazla güç kullanmasına neden oluyor demektir.
Tüm taşınabilir uygulamalar bildiğiniz üzere binlerce satırlık kod kesimlerinden oluşur. Bu kod satırlarında optimizasyon diye bir şey var. Yaptırmak istediğiniz bir işi birkaç komut ile de yaptırabilirsiniz, satırlar dolusu kod ile de. Yazılım optimizasyonunun temeli bu türlü başlıyor.
Özetle taşınabilir uygulama hazırlarken pil ömrü üzerindeki tesiri de hesaba katmanız gereken değerli bir faktör. Şayet bir uygulamayı çalıştırmak telefonun daha sık şarj edilmesine neden oluyorsa, bu kullanıcıları çabucak rahatsız etmeye başlayacaktır. Geliştiriciler, uygulamaları güç açısından verimli tutarak faal soğutma gereksinimini azaltabilir.
Fanlar bir faal soğutma formudur. Akıllı telefonlar pasif soğutmaya, yani mekanik bileşenlerin yardımı olmadan sırf materyaller ortasındaki iletkenlik farkını kullanarak ısı alışverişi tekniğine dayanır. Daha kolay bir tabirle, hiçbir şeyin hareket etmesine gerek kalmadan kesimler soğuyabilir.
Evi soğutmak için klimayı çalıştırmak etkin soğutma alanına girer. Bir pencereyi açık bırakmak ise pasif soğutmadır. Telefonlar ekseriyetle ısıyı dağıtmak için elektrikli bileşenler ortasında metal plakalar ve dış gövdelerinin dizaynını kullanır.
Pasif soğutma günlük kullanım için çok âlâ çalışıyor diyebiliriz. Lakin etkin soğutmanın bilakis, uzaklaştırılabilecek ısı ölçüsü üzerinde denetim kelam konusu değildir. Etkin soğutmada fan suratını artırarak bir şeyleri değiştirebilirsiniz. Pasif soğutmada ise bu mümkün değil.
Bu nedenle kimi telefonlar, oyun oynamak üzere ağır işler gerçekleşirken çok fazla ısınabilir. SoC daha fazla ısı üretir ve fazla ısıyı dışarı atmak için yapılabilecek şeyler kısıtlıdır. Nihayetinde ise termal kısıtlama dediğimiz tedbir düzenekleri devreye girer, bileşenlere soğumaları için vakit kazandırmak gayesiyle performans düşer.
Tasarımların hepsi tıpkı olsa da birtakım istisnalar da yok değil. Örneğin Lenovo Legion Phone Duel 2, iki farklı soğutma fanı taşıyan eşsiz bir modeldi.
Öte yandan, akıllı telefon üreticileri, ağır yükler sırasında aygıtı soğutabilmek içni değişik seçenekler de arıyor. Öteki bir örnek olarak, Samsung Galaxy S23 serisi buhar odası soğutma sistemlerini kullandı. Bu sistem, elektrikli bileşenleri soğutmak için bir sıvının buharlaşmasını ve ağırlaşmasını sağlayan bir buhar odası dizaynına sahip. Daha da geriye gitmek isterseniz, Galaxy Note 9’da su karbon soğutma sistemi vardı.
Tabiri caizse fanlar hem bir nimet hem de bir sorun. Dahil edilen sistemler daha hantal, daha gürültülü ve daha kırılgan hale geliyor. Bunun yanında, tıpkı vakitte sistemin daha serin çalışmasını ve daha güçlü olmasını da sağlıyor. Fanları olsaydı akıllı telefonlar daha güçlü olabilirdi, lakin telefonları mükemmel yapan birçok özellik de ortadan kaybolurdu.
Birden fazla elektronik sistemi tek bir çipe entegre etmek için tek bir çipte tahlil sağlayan SoC, çağdaş elektroniğin kıymetli bir etkeni. Çip üzerinde sistem dediğimizde aslında tek bir kesim halindeki yonga bütününden, öteki bir tabirle işlemciden bahsediyoruz. Fakat bu entegre devrenin içerisinde işlemci (CPU), grafik sürece ünitesi (entegre GPU), mikrokontrolcü, çevresel denetimciler (USB, depolama için), bellek, giriş/çıkış (I/O) ilişki noktaları, özel hudut ağı devresi ve radyo modemleri (Bluetooth yahut Wi-Fi için) üzere birçok başka bileşen yer alabilir.
Başka bir deyişle, SoC dediğimiz süreçle bunların hepsi tek bir katmanda tutuluyor. Tüm bu bileşenlerin tek bir alt katman üzerinde bulunması, SoC’lerin daha az güç kullanması ve çok çipli muadillerine nazaran daha az yer kaplamasına imkan sağlıyor. SoC’ler Objelerin İnterneti (Internet of Things-IoT) ve taşınabilir bilişimin büyümesiyle giderek daha tanınan hale geliyor.
İşlemci çipin “beynidir”, talimatları yürütmekten ve hesaplamaları yapmaktan sorumludur. Bellek, işlemcinin erişmesi için dataları ve talimatları depolar. Giriş/çıkış arabirimleri çipin sensörler, ekranlar yahut başka çipler üzere öbür bileşenler yahut aygıtlarla bağlantı kurmasını sağlar. Grafikler bildiğiniz üzere imaj çıkışından sorumlu. Modemler Wi-Fi ve Bluetooth kontaklarını yönetiyor. İşte tüm bu fonksiyonların yekpare küçük bir yongada yapıldığını düşünün.
Özetleyecek olursak SoC, bilgisayarın yahut öbür elektronik sistemin gerekli tüm bileşenlerini tek bir çip üzerine entegre eden bir mikroçip çeşidini söz ediyor. Kullanım alanı ise epeyce yaygın. Her şeyi bir ortada toplayan bu sistemler başta akıllı telefonlar, tabletler, IoT aygıtlar olmak üzere Nintendo Switch, PlayStation ve Xbox üzere konsollar, Raspberry Pi bilgisayarlar, Arduino kartları ve STEM kitleri üzere birçok aygıtta kendine yer buluyor. Ayrıyeten SoC cinsinde işlemcilere sahip dizüstü bilgisayarların sayısı da her geçen dün artıyor.
Bir SoC’nin en kıymetli avantajı kompakt boyutu ve verimliliğidir. Birden fazla bileşenin tek bir çip üzerine entegre edilmesiyle ortaya çıkan aygıt, farklı bileşenlere sahip klasik bir devre kartından çok daha küçük olabilir ve daha az güç tüketebilir.
Bunun tersine, klâsik devre kartları çoklukla farklı işlemciler, bellek yongaları ve giriş/çıkış arayüzleri üzere kablolama yahut öbür yollarla fizikî olarak bağlanması gereken birden fazla bileşen gerektirir. Bu da ortaya çıkan aygıtı daha büyük, daha az verimli ve hata/arızalara daha yatkın hale getirebilir.
Genel olarak SoC’ler, elektronik aygıtların tasarlanma ve üretilme halini dönüştüren güçlü ve çok taraflı bir teknoloji. Birden fazla bileşen tek bir çip üzerine entegre edildiğinde sırf alan küçülmüyor, aslında teknoloji dünyası daha fazla inovasyona teşvik ediliyor. Mühendisler elektronik dünyasında mümkün olanın sonlarını zorlamaya devam ediyor.