Modern Teknolojinin Atası: Transistör

İşlemci (CPU), bellek (RAM) ve ekran kartı gibi bazı bilgisayar bileşenlerine bütüncül bakmak, bu parçaları tanıyormuşuz gibi bir algı oluştursa da aslında detayları gözden kaçırmamıza ve sahne arkasında olan biteni görmemize engel olmaktadır. Günümüzde bilgisayarlar gözümüzle görsek dahi inanamayacağımız sonuçlar ortaya koysa bile aslında bilgisayar bilimlerinin dönüm noktalarından biri, olağanüstü bir fizik keşfi olarak gösterilebilir. İcadı Nobel Fizik Ödülü ile taçlandırılan ve devrelerin can damarlarını oluşturan transistörler, çağımızın en büyük mimarlarındandır.

Üç yönlü devre elemanları olan transistörler farklı çeşitlerden oluşsa da basitçe iki temel tasarıma sahiptirler. PNP ve NPN olarak adlandırılan bu iki ana çeşit, sensör çıkışlarının pozitif veya negatif olmasına göre sınıflandırılmışlardır. Detaylara inip bu farklılıkları ve transistör çeşitlerini incelemek yerine onların tarihçesinden ve işlevinden bahsederek nasıl çalıştıklarını anlamak, -tabiri caizse- bilgisayarlara, meşhur Matrix serisinden Neo’nun gözüyle bakmamıza yardımcı olacaktır.

Transistörlerin Tarihçesi

Radyo ve telefon sinyallerinin alınmasında ve arttırılmasında, ilkel yöntemlere alternatif olması amacıyla icat edilen transistörlerin başarılı olacağına birçok kişi inanmasa da Bell Labaratuvarının çalışmaları kısa sürede büyük başarılar elde ederek transistörleri küçültmeyi ve aynı zamanda milyonlara varan üretim kapasitesine erişmeyi sağlamıştır.

Transistör, girişine uygulanan sinyali yükselterek gerilim ve akım kazancı sağlayan, gerektiğinde anahtarlama elemanı olarak kullanılan yarı iletken ve üç kutuplu bir devre elemanı olarak tanımlanmaktadır. Elektronik cihazların temel yapı taşlarını oluşturan transistörler, sürekli kullanılan ve basit görülen cihazlarda bile milyarlarla ifade edilecek kadar fazlaca yer almaktadır. 1971 yılında üretilen ilk Intel işlemcisinde 2300 transistör bulunmaktayken, 2012 yılında üretilen Intel i7 işlemcilerinde 1.7 milyar transistör bulunması artışın eksponansiyel, yani üstel olduğunu göstermektedir.

Transistörlerin Kullanım Alanları

Küçük akım miktarları ile, büyük akımları ve voltajları kontrol etmemize yarayan transistörlerin birçok farklı kullanım alanı olsa da işlemcilerin temel yapı taşlarını oluşturması, günlük hayata en yakın örnek olarak gösterilebilir. Matematikte öğretilen ve AND, OR, NOT, XOR vb. olarak isimlendirilen çeşitli mantık kapıları, transistörlerin kullanılmasıyla somut bir şekilde tasarlanmakta ve bir araya getirilerek işlemcileri ortaya çıkarmaktadır.

İşlemcilerin gün geçtikçe gelişmesindeki en büyük etken de transistörlerin olağanüstü yapısal özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Intel’in kurucusu Gordon Moore’un adıyla anılan Moore Yasası, kısa bir zaman sonra geçerliliğini yitirecek olsa da, mikroişlemciler içindeki transistör sayısının her iki yılda bir 2 katına çıkacağını belirtmektedir.

Bazı çalışmaların ortaya koyduğu sonuçlar 2020’li yılların sonlarına doğru işlemcilerde, insan beynindeki nöron sayısına denk gelen 100 milyar kadar transistör kullanılabileceğini göstermektedir. Bu varsayım kapsamında transistörlerin giderek küçültülmesi, transistörün doğası gereği ortaya ilginç sonuçlar çıkarmaktadır.

Transistörlerin İlginç Yapısı

Transistörlerin küçülmesi, üzerlerinden geçen akımın artmasını ve devrede yaşanan gecikmenin azalmasını sağlamaktadır. Küçüldükçe daha az yer kaplayan transistörler, aynı zamanda daha az güç tüketerek daha hızlı bir hale gelmektedir. Sonuç olarak bir işlemcinin tasarımı hiç değişmese dahi, sadece transistörlerin küçülmesi sağlanarak ortaya çok daha verimli devreler çıkmaktadır. Yakıtı azaldıkça daha çok mesafe kat edebilen veya hızlandıkça daha az yakıt tüketen bir aracın icat edildiğini var saymak, transistör teknolojisini daha iyi anlamak adına örnek gösterilebilir.

Hız kazanma ve maliyeti azaltma ihtiyaçlarından doğan transistörler, optimum değerlerle beraber 7 nanometreye kadar küçültülmüştür. Bu boyutlarda oldukça yüksek hız değerlerine ulaşılabilmesine rağmen sistemlerin çok fazla ısınması, hız konusunda bazı sınırlandırmalar gerektirmektedir. Teknoloji geliştikçe ihtiyaçlar değişmekte ve çözülmeyi bekleyen problem sayısı da üstel olarak artmaktadır.

Kaynakça:
I. link.springer.com/article/10.1007/s00354-017-0020-4
II. Digital Design with RTL Design,VHDL and Verilog/Frank Vahid