BİLİM VE TEKNOLOJİ

İLİM VE TEKNOLOJİ

BİLGİSAY AR SİSTEMLERİNİN DEĞİŞİMLERİNE KARŞI KOR

Güç kablosundan gelecek ani bir değişime karşı alınan "fişlerin çekilmesi" tedbirinin aslında hasara sebep olduŞj sonradan anlaşıldı

Çevir!: Fatih Bilal Y ÜLEK (" )

B u üç haftadan beri üçüncü fırtına idi. Uğursuz işa reti alan fırtına bekçisi CAD/CAM bilgisayar siste minin fişini çekmenin vaktinin geldiğini anladı. İş lemi durdurmak, sisteme geçen iki fırtınada olduğu gibi zarar gelmesinden daha iyiydi.

Ama fişlerin çekilmesi bir işe yaramadı. Fırtına bitip de sistem yeniden çalıştırıldığında, sistemde kalıcı zararlar olduğu anlaşıldı.

Bu olayda hasar, güç kabloları ndaki ani artıştan kaynak lanmamıştı. Hasarın sebebi sistemdeki terminallerin bağlı oldukları toprak potansiyellerinde^ farktı. Güç kablosun dan gelecek ani bir değişime, karşı alınan basit "fişlerin çekilmesi" tedbirinin aslında hasara sebep olduğu sonra dan anlaşıldı. Şöyle ki, elektrik fişlerinin çekilmesi ile ke silen güvenlik toprak hattı, makinenin halen bağlı olduğu veri hatlarından gelecek ani değişime karşı makineyi ko rumasız bırakmıştı.

Ani güç değişimlerinin genel olarak sebep ve çarelerini bilmek ufak bilgisayar sistemi kullanıcılarına, özellikle de tek başına çalışan sistemlere faydalı olur. Böylece, sis temlerini kendilerinin alabilecekleri önlemlerle korumuş olurlar. Daha karışık sistemler için ise bir uzmana ihtiyaç vardır. Ayrıca sistem tasarımcıları, sistemin kullanıcıları tarafından nasıl bağlanacağını, ani değişimlerde meyda na gelebilecek arızaları ve yanlış uygulanabilecek koru yucu önlemlerin yan etkilerini göz önüne almalıdırlar.

Bilgisayar kullanıcıları arasında gittikçe büyüyen bu güç değişimlerinin meydana getireceği hasarlar ve veri ka yıpları korkusu ani artış bastırıcıları için bir pazar oluştur du. Fakat bunların kesin bir performans standardı olma dığından, şu sıralar standart hazırlayıcı bir çok grup yeterli (') IEEE Spectıum (Nisan 1990) O Bikent Üniversitesi Elektrik Elektronik Müh. 4. Sınıf Öğrencisi

bir standart ha zırlamak için ça lışmalar yapmak tadır. Bu aletler arasında bir ayı rım için alıcının, bu bastırıcıların seçimi ve takılışı ile ilgili bazı ana kuralları bilmesi gerekir. En iyi ani artış bastırıcısı bi le yanlış takıldı ğında, işe yara mayıp hasara se bep olabilir.

ANİ ARTIŞLARIN KAY NAĞI

Çoğunlukla 'ani artış' kelimesi geçici bir voltaj artışı olarak anlaşılsa da aslında güç veya veri hattında meydana1 ge len herhangi bir karışıklık demektir.

Bu elektriksel karışıklığın en iyi bilinen sebebi, yıldırım düşmeleri ise de karışıklık çıkması için yıldırımın kablolara düşmesi gerekmez. Yıldırımdan meydana gelen akımlar dan doğan elektromanyetik alanlar, güç kabloları ndaki iletkenlerin kuplajına sebep olarak bu iletkenler boyunca geçici voltaj artışlarına yol açarlar. Ayrıca, bu yıldırım akı mı toprak üzerinde yayıldığından normal olarak "toprak" potansiyelindeki voltajlarda farklar meydana getirir. Bu da yıldırım akımının yayıldığı alan boyunca uzanan iletkenle rin uçları arasında bir voltaj farkına sebep olur.

Yıldırım düşmesinin doğrudan etkileri dramatik boyutlarda olsa da bunların çok ender rastlanır olması rahatlık veri cidir. Diğer taraftan elektrostatik boşalmalar (ki bunları

minyatür yıldırımlar kabul edebiliriz) için bir insanın par mak uçları yeterlidir.

Bu ani artışların daha az fark edileni fakat daha sık olanı güç sistemindeki sık anahtarlanmalardır. Bu anahtarlan malar etraftaki bir cihazın açılıp kapanmasıyla olan nor mal ve devamlı bir işlemle olabileceği gibi ender meydana gelen fazla yüklenmeden veya kısa devrelerden de ola bilir.

Bu anahtarlanmalar geniş bir frekans ve genlik yelpaze sini kapsar. Bazıları kısa süreli (nanosaniyeler düzeyin de)ve düşük enerjilidir (milijoule). Bunların tehlike riski düşükse de yüksek frekansta olduklarından sistemi ra hatsız edebilirler. Diğerleri uzun süreli (micro hatta mili saniye), yüksek enerjili (yüzlerce joule kadar) ve düşük frekanstadır. Bunların frekansı diğerleri ile kıyaslanınca düşük olduklarından sistemi rahatsız etmezler, fakat uzun süreleri ve yüksek enerjileri ile sisteme hasar verebilirler.

Bilgisayar sistemleri için bir diğer karışıklık kaynağı, mey dana gelen düşük voltajlardır. Bunların sebebi yakınlar daki fazla yük çeken bir aletin çalıştırılması veya elektrik şebekesinde meydana gelebilecek bir arıza olabilir. Ani voltaj artışları, eklenen basit bir aletle fazla enerjiyi etrafa dağıtmak suretiyle önlenebilir. Fakat düşük voltajla kay bedilen enerjiyi toplamak basit bir aletle temin edilemez. Bu sorunun çözümü için birçok metodlar geliştirilmiştir. Geçen yıllarda, bu tür artışların özelliklerini öğrenme ge reği güç hattındaki karışıklıkları izleme amaçlı birçok pro jenin yapılmasına yol açtı. Bu projelerin ki bunlar birbi rinden ayrı araştırmacılar tarafından yine kendileri tara fından geliştirilmiş ticari olmayan araştırma amaçlı alet lerle yapılmaktaydı sonuçlarından biri, bu raporların de ğişik varsayımlar ve tanımlamalara dayandığı, bu sebeple de birbirleri ile karşılaştırılamayacağı idi.

Artışların izlenmesi ve koruyucu aletlerin tasarımı uz manlara bırakılsa da, bir kullanıcı yine de kendi sisteminin güvenilirliğini ve bütünlüğünü tamamlayacak adımlar atabilir. İlk adım, sadece geçici bir bozuklukla, kalıcı bir hasarın ki herbiri işlemin bağıl önemine göre değişik etki eder ayırdedilmesidir. Ticari bir sistem için işlemin kesil mesi hasarın tamirinden daha masraflı olabilir. Fakat evinde yalnız başına çalışan birisi için aletin korunması

veri kaybından daha önemlidir. Ayrıca böyle durumlarda, koruyucu tedbirler için para harcamaktansa işleme ara vermek daha ekonomiktir.

ZEDELENEBİLİR TEK BAŞINA ÇALIŞAN SİSTEMLER

Ufak bilgisayar sistemleri tek başına çalışan sistemler ve dağıtılmış sistemler olarak sınıflandırılır. Tek başına çalı şan bir sistem tipik olarak tek kişi için kurulmuş bir masa bilgisayarı, buna ek bir yazıcı veya ağa bağlanmamış herhangi bir mikrobilgisayardan oluşur. Dağıtılmış sis temlerse, bir telefon ya da diğer ağ bağlantıları ile çok is tasyonlu sistemlere veya uzaktan alıcı ve hareketlendirici işlem kontrol sistemlerine bağlanmış basit bir tek başına çalışan sistemdir.

Büro, laboratuvar ve evlerde bulunan tek başına çalışan sistemlere iki şekilde hasar ya da bozucu etkiler gelebilir. Birincisi, düşük genlikti (1000 volttan az) artışlar bilgisa yarın güç kaynağı tarafından karşılanır, fakat bunlar yine de devrelere intikal edip ufak geçici voltaj değişimlerine yol açabilir. Yüksek genlikli (1000 volttan çok) artışlar ise en fazla güç girişindeki parçalara hasar verir ve büyük bir ihtimallede geçici güç değişimleri oluşur, ikincisi güç böl meleridir (voltaj düşmeleri ya dâ kesintiler). Sadece bilgi sayarın geçici olarak kapanmasına yol açarlar.

Bu sistemler için ani artış hatalarından korunmak basittir ve bu husus bilgisayarın iç yapısında bir dereceye kadar sağlanmıştır. Fakat aletin bu tür artışlara karşı olan daya nıklılıklarını gösteren bilginin verilmesine kadar kullanıcı nın sağlanan korunmanın seviyesini bilmesine imkan yoktur, (bu tahmin edilenden daha çabuk gerçekleşecek tir, çünkü, Avrupalıların elektromanyetik uyumla ilgili ça lışmaları devam etmektedir.) Avrupalılar cihazlarını, belli bir çevrede mevcut diğer cihazların çalışmasını etkileys meyecek şekilde planlanması yolunda çalışmalar yap maktadır. Buda, 1989'da Avrupa Topluluğu Konseyi'nden bildirilen elektromanyetik uyumlulukla ilgili karamam3nin sonucunda başlanmış bir çalışmadır. Yani bu özelliğinde, geleneksel olarak voltaj, frekans ve akım gibi bilgisayarın üzerinde yazılmışlara ilave edilmesi çok da uzak değildir.

Şimdiye kadar bu konudaki önlemler, ayrı bir artış bastırı cısının (bunlara kıvılcım koruyucusu veya ani artışlarda voltaj bastırıcısı da denilir) güç kab losuna bağlanmasından ibarettir. Bunların fiyatları çok çeşitlidir ve performansı; çok hızlı tedbir alma (asfında gereksizdir) ve en düşük bastırabilme voltajını (güvenilirlik için gereklidir çünkü, artış koruyu cusu normal olmayan güç değişik liklerine maruz kalabilir) içerir.

Bir artış bastırıcısının ana teknolojisi çabucak değişmese de özellikleri ve paketlenmesi pazar rekabetine bağlıdır, ideal olarak özelliklerini şu üç ana başlıkta toplayabiliriz: anma (nominal) voltajı, akım artışlarına dayanıklılığı ve artış anındaki da yanma voltajıdır. Bunların hepsi kullanıcının ihtiyacı olan korunma ve uzun süreli güvenilirliği sağlamak

86 379 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

ve dolayısıyla birçok kimse için bu aletlerin alınmasını akıllıca ve işle min devamını isteyenlere zorunlu kılmıştır.

açısından üretici firma tarafından belirtilmelidir.

Şu anda geçici voltaj değişimlerinin ABD'de tek perfor mans standardı vardır o da UL 1449'dur. Bu Underwrıters Laboratuarlarında geliştirilmiştir. Bu standart, ürünün bazı özelliklerini içerir ve yalnız bazı performans özellik lerini verir. UL etiketi aletin, çevreden gelebilecek etkilere karşı, kabul edilen endüstriyel standartları temsil eden, bir denemeden geçtiğini gösterir. UL denemesinde belirli bir akım cihaza uygulanır ve sonuçtaki en büyük voltaj ölçü lür. Bu voltaj daha sonra cihazın üstüne yazılır. Buna rağmen bazı cihazlarda bir güç sistemi için hiçte önemli olmayan tedbir alma sürecinin nanosaniyeler hat ta pikosaniyeler düzeyinde olduğu belirtilir. Oluşacak na nosaniyelik bir darbe güç sisteminde etkili olamaz ve da hada ileri olan pikosaniyelik bir darbe gerçekten büyük bir teknoloji ürünüdür. Aynı şekilde en düşük bastırma volta jını elde etme tasarım sırasında bir dengesizliği gösterir. Şöyleki, artış basıncılarının amacı, bazen emniyet sevi yesinden yukardaki birkaç on voltu temizlemek değildir. Üstelik çok düşük bir bastırma voltajı aletin çabuk eski mesine, hatta gücün devamlı kısa kısa yükselmesinden dolayı bozulmasına yol açmaktadır, ikinci tür karışıklık olan voltaj düşmeleri ve kesintileri artış bastırıcıları tarafından düzeltilemez. Eğer kesinti veya voltaj düşmesi bilgisayardaki D.A. (de) güç kaynağının idare edebileceğinden daha uzun olursa işlem kesilir. Çoğu bilgisayarlar bu tür güç kaynaklarına iç donanı mia rıyla sahiptirler. Bir bilgisayar kesinti sırasında'disket sü rücüsünü kullanıyorsa, bilgisayar kapanır; bir sistemin terminallerinde birçok kişi çalışırken bu olay olursa bazı ları sadece rahatsız olurken, okuma yapanların işe yeni den başlaması gerekir. Bu tarz kesintilerden kurtulmanın tek yolu piyasada bulunan kesintisiz güç kaynaklarını kullanmaktır. Bu cihazlardaki rekabet, fiyatların düşüşüne

BEKLENİLMEY EN SORUNLAR

Bu güç kesintisi veya düşüşü tek başına çalışan sistemlere yaptığı etkiyi dağıtılmış sistemlere de ya par. Ama gelişmiş sistemler için da ha nazik bir sorun ortaya çıkar. Bu da, bu tür sistemlerin gücün tekrar gelmesiyle otomatik olarak başla masıdır. Bu tür sistemlerde üstüste düşen birkaç yıldırımdan veya'oto matik olarak anahtarlanan devrele re sahip elektrik sistemlerinin yol açtığı hasarlar pekçoktur. Bu basit yalnız duran sistemlere ek terminaller ağa ve veri hattına bağ lanmalar oldukça, ani artışlar sonu cunda meydana gelebilecek hasar ihtamali artar. Hatta sadece yazıcı ya bağlı bir PC bile tehlikede olabilir. Bunun sebebi de iki aletin fişlerinin değişik prizlere takılmış, bu prizlerinde değişik fazlardan beslenmiş olmasındandır.

Güç hattındaki artışlardan kaynaklanacak hasar veya ka rışıklığa ek olarak veri hattı giriş ve çıkış terminallerinde hasara, yol açabilir. Bu tür hasarlar veri hattından birkaç şekilde gelebilir. Birincisi, veri kabloları anten gibi elekt romanyetik alanlardan geçerken enerjiyi toplar ve bunu dağıtır. Bu enerji daha sonra gürültü veya voltaj farkı ola rak verici veya alıcı durumundaki bilgisayar ya da termi nallerinin giriş veya çıkış portuna etki eder. Bu problemin önemi, veri hattı uzadıkça artar. Buna ön lem olarak kullanıcı bilmese de bilgisayarın çıkış termina linde bir koruyucu olabilir ama yine de veri hattındaki bu ani artışlara karşı çok az şey bilindiğinden buna karşı ön lem almak çok zordur.

Kısa mesafeler için mevcut korunma yöntemleri yeterli olsa da uzun mesafeler için yeni metodlar gereklidir. En son geliştirilen korunma yöntemi ise metal muhafaza kul lanılmayan fiber optiklerdir. Hatta, bunlar gürültüye karşı bağışıklık sağlarlar.

Bir başka tehlike kaynağı da, bu ani artışlar sırasında normal olarak toprak seviyesinde olan potansiyellerin değişmesidir. Birçok veri hattı (zırhta veya ayrı bir iletkenle gönderilen) referans sinyali ile çalışır. Bu sinyal ise ciha zın şasesine bağlıdır. Son olarak bu şase National Electric Code (Amerikan Milli Elektrik Kanunû)'a göre güç kablo sunun toprak hattına bağlıdır. Yani, bir yıldırım düşmesi ile ya da güç sistemindeki bir arızadan dolayı toprak iletke nine bir akım verilirse, veri hattının iki ucundaki toprak lanmış noktalarda voltaj farkı meydana gelir ve veri hat tının iki ucu arasında istenilmeyen bir akım oluşur ki bu da büyük bir ihtimalle çıkış terminallerindeki kapasitenin üzerindedir. Önlem olarak eğer önceden anlatılan fiber optik hat de

379 ELEKTRİK O T MÜHENDİSLİĞİ O /

ğilde klasik iletkenler veri hattı olarak kullanılacaksa bu hatta da güç hattındakine benzer bir koruyucu koymak gerekir. Güç hattındaki aletler yüksek voltajı durdurup yüksek frekansları filitre ederek çalışırlar. Ama bu veri hattında yapılamaz çünkü bu durum sinyali bozabi lir.Onun için bu aletlerin veri hattında kullanılması ancak yazılım destekli bilgisayarlarda mümkündür.

Y AN ETKİLER

Hasarı önlemek için gerekli olan cihazlar güç ve veri hat tına bağlı iki ayrı ani artış bastırıcısı olarak görülebilir. Fa kat bu yanlıştır çünkü bu bastırıcılar çalışırken veri hattını tehHkeye sokmak gibi bir yan etki gösterir ki bu durum son zamanlarda anlaşılabilmiştir.

Bir başka hasar verici olayı senarize ederek anlatalım. Gelen telefon hattı, gaz tüpü ve karbon blokları gibi ani artış bastırıcıları ile desteklenmiş olsun. Bu bastırıcılar gelen ani artışları en yakın topraklanmış iletkene genel likle de su tesisatına aktaracaktır. Bilgisayar ya da modem üreticisi firma da bilgisayar telefon hattının bağlantısı için koruyucuları aletinin içine yerleştirmiş olsun. Son olarak da, ani artışların olabileceğini tahmin eden kullanıcı bilgi

sayarına dışardan bir bastına takmış olsun. Bu durum da veri ya da güç hattına bir artışın gelmesi ile takılı cihaz lardan biri bunu en yakın toprağa iletecektir. Oysa bu toprağın, diğerlerinin bağlı oldukları toprak ile aynı olması ihtimali hayli azdır. Böylece toprak iletkenindeki bu artış akımı bir tarafın potansiyelinin diğerinkinden fazla olma sına yol açar. Sonuçta da veri hattı çıkış terminalleri tehli keye girer.

Bunun çözümü merkez santrallerindeki anahtarları koru mak için telefon şirketlerinin kullandığı "toprak pencere sinin bir minyatürünü buraya uyarlamaktır. Bu "pencere" bir oda ya da kattaki tüm kabloların toprak iletkenlerini, zırhlarını ve koruyucu cihazların topraklarının bir yerde toplanıp birbirlerine bağlanmasıyla olur. Böylece o alan daki hiçbir alette potansiyel farkı gözükmez.

Bazı firmalar ise bu fikri, güç ve veri hattı ani artış bastırı cılarını aynı kutuya yerleştirip (böylece aynı toprağa sahip olmalarını da sağlayıp) taşınabilir tek cihaz haline getire rek kendi alanlarına uyarlamışlardır.

Bütün bu anlatılanları bir yana bırakırsak, tabii ki en kolay korunma şekli bilgisayarı kullanmıyorken dış dünya ile olan bütün bağlantılarını kesmektir.

AUTOCAD ÎO

AUTOCAD 10 TÜRKÇE

ÇIKTI

Tüm mühendis, mimar, tasarımcı ve teknik ressamlar için AutoCAD'i tam kapasite ile kullanmanın tek yolu. Akıcı bir türkçe ve doğru CAD terimleri kullanarak Autodesk'in telif hakları ile MNG Bilgisayar A.Ş. tarafından hazırlandı.

479 sayfa

21x30 Ekstra birinci sınıf kağıda ofset baskı İplik dikişli, lake cilt kapaklı 212.000 TL

TÜM ODA BİRİMLERİMİZDE, ŞUBELERİMİZDE TEMSİLCİLİKLERİMİZDE; Öğrencilere, üyelerimize % 10 indirim.

Posta ile başvurular şu adrese yapılabilir: Elektrik Mühendisleri Odası Ihlamur Sok. 10/1 Kızılay/ANKARA

88 379 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

1990'LI Y ILLARDA SAY ISAL TÜMDEVRELER «

Y azan: Dave BURSKY (")

Çeviren: Meltem KARAASLAN

S ayısal devre tasarımcıları için önümüzdeki on yıl tümdevreler deyeniliklerle dolu geçecek. Gal yum arsenit ve yarım mikron bo yundaki silikon transistörlerin üretilebil mesi, 3 4 katmanlı metal bağlantıların mümkün olması bu yeniliklerin arasında

< . için de aynı oran söz konusudur.

x Bu oranın artmasıyla birlikte ilginç bir soru aklımıza gelebilir: Bir yonga, içinde bir sürü bellek bulunan bir mikroişlemci midir? Yoksa içinde özel amaçlı belleği bulunan bir mikroişlemci midir?

en önemlileri. Geçen on yılda, tümdev relerin içine sığabilen transistörlerin sa yısında büyük bir gelişme oldu. 1980 yı lında bu sayı 100.000 iken 19O'da1.2 milyon transistöre ulaştı. Bu hızla bu yüzyılın sonunda içinde 30 milyondan fazla transistorun bulunabildiği ve 0,25 mikronluk tasarım kurallarının kullanılacağı tahmin edile bilir. Bu kadar sayıda transistorun bir tümdevreye konul

Soru henüz önemli sayılmasa da, Özel Amaçlı Tümdevreler konusunu gündeme . \ getirmektedir. (ASICs: Application Spe \ cific Integrated Circuits). ASICs, bir sis teme özel olarak tasarlanmış ve bu amaç dışında pek kullanılmayan devrelerdir. Bunlar arasında disk kontrol devreleri, veri iletişim devreleri, grafik işlemcileri, mantık işlemcileri sayılabilir.

ması da doğal olarak birçok soruna yolaçabilir: Hangi devreler böyle tasarımlara uygundur, böyle devreler ye terince nasıl test edilebilir ve böyle büyük tasarımlar nasıl genel amaçlı olabilir?

Tümdevrelerin boyutlarının 550 600 milin'1' ötesine ulaş ması önümüzdeki yıllarda silikon tabletlerinin (vvafer) bü yümesine neden olacaktır. Devre alanlarının büyümesine karşın, yeni kullanılan fabrikasyon teknikleri ile bir silikon

Bu sorunların belki de en önemlisi bu kadar transistor ile tabletinden çıkan işler yonga sayısının düşmesi engel

ne yapılacağıdır. Çünkü mikroişlemciler ve bellek yonga lenmektedir. Ayrıca taşbasması (lithography) tekniklerinin

ları dışındabu kadar çok transistöre gereksinim duyan çok yardımıyla, artık aynı silikon tableti üzerine çeşitli türde

az genel amaçlı devre vardır. (Şekil 1)

devreler (analog ve sayısal) konulabilmekte, bu da birden

Geçen on yılda üretilen mikroişlemci devrelerinde bü yükyazmaç (register) kütükleri (file) ve bellek devreleri bulunuyordu ve bunlar tüm devrenin içindeki transistör

fazla işlemcinin, bellek bloklarının, diğer destek fonksi yonları ile birlikte aynı silikon tabletine koyularak üretil mesini mümkün kılmaktadır.

lerin az bir bölümünü kullanıyorlardı. Daha sonra üretilen Paralel yapıların hesaplamaları hızlandırmasına karşın bu

gelişmiş, 32 ve 64 bit işlemciler, içlerinde daha fazla sa tür yapılar, seri sistemlerden daha fazla karmaşık yazı

yıda transistor kullanılan kaşe bellekler (on chip memori lımlar gerektirmektedir. Paralel yapılar, silikon tabletleri

es), tamponlar (buffers) ve kayıt kütükleri barındırmakta düzeyine inerken programlama da gitgide güçleşmektedir

dırlar ki bunlar yonganın içindeki toplam transistor sayısı ve bunun en önemli nedeni yazılım geliştirme araçlarının

nın yarısından fazlasını kullanırlar.

(softvvare development tools) sınırlı olmasıdır. Yeni para

örneğin Intel'in 80486 mikroişlemcisinde 8 KB kaşe bel lek vardır. Bu işlemcinin içindeki 1.2 milyon transistorun üçte biri bu belleklere aittir. Motorolanın 68040 işlemcisi

lel yazılımların hızlandırılması ya da var olanların paralel yapılara dönüştürülmesi için çok iyi yazılım geliştirme metodlarına araçlarına gereksinim vardır.

Böyle sistemleri tasarlamak, analiz etmek, simulasyonla

rını yapmak, yerleşim planını ve bağlantılarını yapmak için

çok iyi yazılımlar gerektirmektedir, iyi yazılımların yanısı

(*) Digital IC's in the 1990's: Nearly unlimited on chip resources", Electronic Design, 11 Ocak 1990, Cilt 38, No: 1, s.79 89 (Yazı çok az oranda kısaltılarak Türkçeye çevrilmiştir.)

(**) Elektronic Design dergisi editörlerinden. (—) TÜBİTAK Ankara Elektronik Araştırma Geliştirme

ra, milyonlarca transistoru ve kapıları kullanabilecek güç te bilgisayarlar da gereklidir. Günümüzün anaçatıları (mainframes), süper bilgisayarları ve güçlü istasyonları bu işin altından ancak kalabilmektedir. Aynı şekilde, milyonlarca transistoru kullanma yeteneğine sahip tasa rım yazılımları da bulunmamaktadır. Üniversiteler ve bazı

Enstitüsü Tümdevre Tasarım Merkezi (TUTAM),

şirketlerde şu sıralarda yapılan araştırmalarla, daha hızlı

ODTÜ.

öykünüm (simulation), optimum hücre yerleştirilmesi ve

otomatik bağlantı yöntemleri konularında önemli ilerle

Kullanıcıya ya da alıcıya özel devreler

Şekil 1: ÖZEL AMAÇLI DEVRELERİN Sınıflandırılması. Şekıldende görüldüğü gibi. teknoloji ve yazılım kurtulan geliştikçe hemen her yeni VLSI devresi birASIC olacaktır

meler sağlanmıştır.

ÖZEL DEVRELER

Bir tüketici için özel olarak üretilen devreler son zaman larda şu üç isimden biri ile tanımlanmaya başlandı: Kul lanıcıya özel devreler, alıcıya özel devreler ya da sisteme özel devreler (sırasıyla User specified, customer specified, system specific IC's: USlC's CSIC's, SSIC's) Bunlardan en çok kullanılanı ise USlC'dır. Bir tüketiciye özel olarak üretilen bir tümdevre, genellikle üretici firma nın kataloguna eklenir ve piyasaya sunulur. Bundan amaç ne kadar yonga satılırsa, üretim maliyetinin de o kadar azalacağıdır. Üretim açısından yonganın, kapı dizi leri, standart hücreler ya da tam ısmarlama (full custom) yöntemi ile yapılmış olması farketmez. Bir çok tümdevre üreticisi kapı dizilerini veya standart hücreleri kullanan standart ürünleri ya da blokları satmaktadırlar. Kapı dizi lerinin ve standart hücrelerin özel amaçlı ya da kullanıcıya özel devrelerde kullanılmaya başlanması 1980'lerde ol muştur. Böyle özel devrelerin tasarımında önemli olan devre kütüphanelerinin sağlanması, mantık sentezi ya pan yazılımların bulunması, yüksek düzeyde devre anla tım dillerinin kullanıcıya ve tasarımcıya kolaylıkla sunul masıdır. Bujür yazılımların sağlanması ile doğal olarak sistem tasarımlarına, tümdevrelerle çözüm bulma seçe neği artacaktır.

1980'lerde 100.000 transistorlu bir VLSI'2' devresinin ta sarımı iki yıldan fazla sürerken, günümüzde bunun on katı karmaşık bir VLSI devresinin tasarımı, dokuz aydan daha az bir süre almaktadır. Ayrıca bu süre, güçlü tasarım araçları ile daha da azalacaktır. Bugünün bazı yazılımları ile tasarımcı, mantık tanımlamasından bitirilmiş ve prog ramlanmış özel amaçlı devreye kadar olan süreci, bir kaç

saat ya da gün içinde değişen bir sürede tamamlamak tadır.

1980'lerin ilk yıllarında özel amaçlı tümdevrelere, baskılı devre kartlarının karmaşıklığını gidermenin bir yolu gö züyle bakılmıştı. Daha sonraları ise, tam ısmarlanmış bir tümdevredon daha ucuz olduğu için, bir sistemi pazara sunmanın ucuz yolu olarak ele alındı. USlC'Ier günü müzde ve yakın gelecekte sistem tasarımı ve verimliliği için önemli bir anahtar olacaktır.

Sistem tasarımcılarının çoğunluğu kendi sistemlerini kendileri tasarladıkları için artık entegre tümdevreler, sis tem tasarımında üzerinde durulan bir konu olmaktan çık mıştır. Olaya bu şekilde yaklaşan bilgisayar üreticileri arasındaApple Computer, Digital Equipment Corp., IBM ve SUN Microsystems sayılabilir. Bu gibi şirketler kullan dıkları özel amaçlı tümdevrelerle daha az güç harcayan, yonga sayısı ve maliyeti düşük, verimli ve güvenilir sis temler üretmektedirler.

Tümdevre tasarımı ve fabrikasyon teknikleri yoğunluk ve verimlilik açısından önemli aşamalar kaydettiler, örneğin 200.000 kapılık CMOS kapı dizileri piyasaya sürülmek üzeredir. Yakın gelecekte daha da yoğun devreler üreti lecektir. Belki de 1994'te yarım milyon kapılık yongalar, 0.8 mikronda üretilmiş devreler görebileceğiz.

Bir yongaya sığan kapı sayısı artarken, doğal olarak ba cak sayıları da artacaktır. Günümüzde piyasada 400'e yakın bacaklı yongalar bulunmaktadır. Fakat halen kulla nılan paketler (pin grid array) içine yonganın konulması zor ve oldukça pahalı olduklarından yeni yongalara uygun değildir. Bu nedenle, firmaların çoğu daha kullanışlı ve ucuz paketler aramaktadırlar. Aynı şekilde, iki kutuplu ayıcı bağlaşık mantık dizileri (Bipolar emitter coupled togic gatearrays ECL), Motorola'nın 50.000 kapı dizilik MCA4

90 379 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ

ailesi piyasaya sunulmaya başlan maktadır. Transistörlerin küçülme siyle birlikte bugün kullanılan 1 1.5 mikron ölçek yerine 0.8 mikrondan da aşağı inilecek ve kapı sayıları iki katına çıkacaktır. Halen piyasaya ECL dizileri sunan firmaların ço ğunluğunun en az statik RAM (Random Access Memory Rast gele erişimli bellek) türü vardır. Di ziler büyüdükçe, firmalar RAM ba rındıran yongalarının kapasitelerini arttıracaklardır. Bazı firmalar diğer bazı standart işlevleri de (toplama, çarpma gibi) bu yongalara katmayı düşün mektedirler. Burada sorun, yongaya konulacak olan iş levlerin seçimidir.

Bipolar ve CMOS teknolojilerinin BİCMOS olarak birleşti rilmesi, geçen yıl 106.000 kapılık dizilerin üretilmesini sağladı. Bu yonga bir ilk örnek olarak Texas Instruments tarafından Ismarlama Tümdevreler (Custom Integrated Circuits) konferansında sunuldu. Daha yüksek yoğunluk lu yongalar da ortaya çıkmaktadır. Fujitsu Ltd. 200.000 kapılık BİCMOS yongasının ilk örneğini üretti. RAM blok ları, yeni üretilen BİCMOS dizilerin içinde önemli yer tu tacaktır.

iki yıl önce 6.000 kapının altında olan GaAs dizileri ya kınlarda 30.000 kapıya ulaştı. (Fury ailesi, Vitessa Semi conductor) GaAs teknolojisindeki beklenen gelişmeler, silikon tabletlerindeki bozuklukların azaltılması, tasarım cıların 1992'de kapı sayısını iki katına çıkarmalarını sağ layacaktır. Daha da ötesi, statik RAM blokları gibi yeni kapıların da eklenmesiyle, yongalar kayıt kütükleri ve yazboz (scratchpad) belleği olarak kullanılabilecektir. Şu andaki teknoloji, bir yonganın içine birkaç yüz bitlik bellek konulmasını mümkün kılmaktadır. Gelecekteki GaAs tek nolojisi belki de birkaç bin bitlik belleği ve onbinlerce ka pıyı aynı yongaya koyabilmeye izin verecektir.

Yonga üreticisi firmalar, şimdiye kadar bilinen diziler dışında, yeni alanlara yöneldi Bu yeni alanlar arasında, durum makineleri ve veri anayolu arabirimleri sayılabilir."

iletişim denetleyiciyi kullanmaktadır. Önümüzdeki yıl için de Zilog Inc., 16 bit Z8000'i kütüphanesine koymayı planlamaktadır.

Motorola ve intel de kendi mikroişlemcilerini standart hücre kütüphanelerine koyma yolundalar. 1991 yılında, Motorola 68000'i (16 bit mikroişlemci) bir kütüphane ele manı olarak çıkarmayı umuyor. Bunlara benzer çabalar, LSI Logic ve VLSI Technology firmalarında da görülmek tedir. Onlar da 32 bit RISC işlemcilerini ve yardımcı bi rimlerini 1991'in başlarında kütüphanelerine koyabile ceklerini önesürüyorlar. LSI firması, MIPS bilgisayar sis temlerinin R2000/3000 ailesine ve Sun Sparc işlemcileri ne, VLSI Tecnobgy ise ACORN olarak bilinen bir RISC işlemcisine sahiptirler.

Kapı dizisi ve standart hücrelerle yapılan tümdevreler ta sarımında kullanılan hücre kütüphaneleri tasarımcının üst düzeydeki hiyerarşide çalışmasıdır (Tasarımcıya düşen iş, elinde bulunan kütüphanedeki hücreleri kullanarak devresini tasarlamaktır. Hücrenin içi kütüphanenin sağ landığı firma tarafından tasarlanmış, üretilmiş ve çalıştırıl mıştır.) Kapı tizilerinde, tasarımcılar daha karmaşık prog ramlanabilir mantık devreleri kullanarak (field programmable gate arrays) kütüphane hücrelerini daha geniş bir alanda kullanabilir.

Kapı dizilerindeki kapı sayısı ne olursa olsun, standart hücreli tasarımlar, aynı büyüklükteki tümdevreye kapı di zisinden % 50 ile % 100 arasında daha fazla sayıda kapıyı barındırabilir. Standart hücre fonksiyonları genellikle daha bütündür, daha az yer tutar, boşta kapı ya da transistor yoktur, çünkü aynı tasarım kuralları ile üretilmesine kar şın, kapı dizisindeki gibi transistörler, kapılar ve metal bağlantılar belirlenmiş yerlere konmak zorunda değildir ler.

Kapı dizileri ve standart hücre tasarımlarında kullanılan devre kütüphaneleri gitgide daha da karmaşıklaşmakta dır. Geçen onyıl, çözücülerden (decoder), iki duraklılar dan (Flip Flop), ve basit mantık kapılarından oluşan kü tüphaneler ortaya çıktı. 1980'lerin sonunda ise hücrelerin işlevleri karmaşıktı ve 8 16 bit mikrodenetleyici (micro controller) blokları görüldü. (Harris Semiconductor, Intel Corp., Motorola, RTX, 8051 gibi) Bunlara mikroişlemci çevre birimleri, veri iletişim denetleyiciler, derleyici RAM ve ROM'lar, veri yolları ve çarpıcılar da katıldılar, önü müzdeki beş yıl içinde bu kütüphaneler, daha karmaşık mikroişlemcileri de kapsayacaklardır. Zilog Inc., üstün tümleştirme (Superintegration) adı altında bir standart hücre yaklaşımı ile Z 80 (8 bit mikroişiemci) gelişmiş veri

PROGRAMLANABİLİR DEVRELER

1970'de ilk PROM'un ve programlanabilir mantık dizileri nin bulunmasından sonra, tasarımcılar oturdukları yerden devrelerini tasarlama olanağına sahip oldular. Ancak, daha yoğun Bipolar, CMOS ve GaAsların geliştirilmesiyle birlikte, yongaların içine konan transistor sayısı arttı ve bu avantaj tam ısmarlama yönteminin, daha uzun bir süre gerektirmesine karşın, kapı dizileri ile rekabet etmesini sağladı.

Programlanabilir mantık dizilerindeki son gelişmeler, bir yongaya konulabilen kapı sayısını 20.000 40.000'e yük seltebilecektir. Yonga üreticisi firmalar, şimdiye kadar bi linen diziler dışında, yeni alanlara yöneldi. Bu yeni alanlar arasında, durum makineleri (state machines) ve veri anayolu arabirimleri (bus interfacing) sayrlabilir. RAM bloklarının da eklenmesiyle birlikte, programlanabilir yongaların işlevsel yoğunlukları artacaktır.

Karmaşık ve programlanabilir devrelerin karşılaştırılmala rı, yapılarında çeşitlilik gösterdikleri için zordur. Birbirine çok benzeyen kapı dizileri olarak Actel Corp.'dan ACT dizileri ve Plessey'den ERA ailesi sayılabilir. RAM'Iİ kapı dizilerini piyasaya süren firmalar arasında Xilinx ve Plus

Logic sayılabilir. Tüm bu saydığımız yeteneklerine karşın kapı dizileri bütün devre işlevlerini yerine getiremezler. (Kapı dizileri ile her devrenin kolaylıkla tasarlanabileceğini söylemek yanlış olur.) Günümüzde, kapı dizileri kolay bir yöntem olarak kabul edilse de 2 4 haftalık bir bekleyiş (tasarım süresi) bile bazı uygulamalar için çok geç sayı labilir. Neyse ki, bu kısa tasarım süresini %50 oranında azaltabilen bazı firmalar bulunmaktadır.

Bir yongaya konulan kapı dizisi sayısını artırmak için, yonga üreticilerinin transistörleri küçültmeleri, yonga için deki istenmeyen direnç ve sığalarında (capacitance) azalmasına neden oldu. Transistörlerin sığalarındaki dü şüş, devrelerin hızlanmasına yol açtı. Böylece, daha yük sek frekanslarda çalışan devreler elde edildi.

Günümüzün MOS transistörlerinin kapı uzunluğu 0.8 mikron ve yüksük anahtarlama (svvitch) zamanları 400 500 pikosaniyedir.'3'

Bu hızla bir Iki duraklı devresi 200 MHz hıza ulaşır. Tran sistor boyutlarının daha da küçülmesiyle (0.5 mikron ve altı) daha hızlı transistor ve kapılar yapılması mümkün dür.

CMOS devreleri kullanılarak gerekli gücü ve iki kutuplu eleman sayısını enaza indiren BİCMOS dizileri, yalnız CMOS'lu benzeri devrelere göre çalışma frekansında % 50lik bir iyileşme sağlarlar ve daha iyi akım verirler. Bu tür kapılarda, anahtarlama zamanı (svvitching time) 200 ps'den az olabilir. Fakat BİCMOS devreler, CMOS ve Bi poları birleştirdiği için tek tür devrelere oranla maliyeti % 25 ile % 50 arttırırlar ve bu nedenle çok yaygın değildirler. 'BİCMOS fabrikasyon aşamalarında yapılacak olan basit leştirmeler maliyeti CMOS devreleri küçüldükçe artmak tadır. 1995 yılında, BİCMOS ve CMOS devrelerin maliyeti arasında farkın % 10'a düşeceği tahmin edilmektedir.

Son zamanlarda, GaAs yongaları ECL yongalarının kar maşıklığına yaklaştı ve bu nedenle şimdi bu iki teknoloji arasında yüksek hıza ulaşmak için bir yarısı var. ECL ve GaAs.dizilerinin, 40 pikosaniyelik anahtarlama zamanına (svvitching time) sahip olduğu biliniyor. İki duraklıların anahtarlama zamanı ise 2 3 GHz'e kadar çıkmaktadır. Bu hızlar yayıcıları (emitter) 1 1.5 mikronluk iki kutuplu tran sistörlerle sağlanırken, GaAs transistörleri 0.8 1 mikron kapı uzunlukları ile aynı hıza ulaşmaktadırlar.

GaAs devrelerinin çoğunluğu MESFET transistörleri ile yapılır. Fakat yeni GaAs yapıları, çok eklemli iki kutuplu (heterojunction bipolar) transistörleri gibi, MESFET ile yapılan devrelerin çalışma frekanslarının iki üç katına çı kabileceklerdir. Çok eklemli iki kutupların silikon tabletle rinin işlenmesi çok karmaşıktır ve bu tür devrelerin mali yeti çok yüksektir. Bu iki etken nedeni ile firmaların çoğu, çok eklemli çok kutuplu transistorlu GaAs'ların 1993 1994 yıllarında önce ekonomik olarak üretilemeyeceği görü şündeler.

Silikon ECL üretim süreçlerinde yapılan en son yenilikler, kapı başına güç kaybını ve diğer kayıpları azalttı. Bu sü reçler sayesinde soğutma gerekmeden 30.000 50.000 kapılı bir yonganın harcayacağı güç 30 40 W oldu. Bu. yeniliklerin en bilinenleri Mosaic 4 (Motorola bu yöntemi MCA4 ailesinin üretiminde kullanır.) Aspect III (National Semiconductor'dan) ve Esper (Fijitsu'dan) sayılabilir.

Son zamanlarda, 50.000 kapılı yongalar, bazı karmaşık sistemlerle birleşik olarak üretilmektedir. Bu da bir baskılı devre kartı üzerinde yer alan yongalar arasında bağlantı ları azaltmakta ve sistemin verimliliğini artırmaktadır. Azaltılmış komutlu bir işlemci (RISC) bir yongaya, mate matik işlemci diğer bir yongaya sığabilmektedir. Kapı sa yıları 100.000'lere doğru ilerledikçe karmaşık komutlu iş lemciler de bir iki kutuplu bir yongaya sığacaktır.

Bir yongaya konulan kapı sayısı arttıkça, yonga içindeki bu kapıların birbirlerine bağlanması sorun yaratacaktır. Bir önceki kuşak CMOS dizilerinde, yeterli bağlantı için ikinci metal katmanı eklenmişti. Kapı sayısı 200.000'e varan yongalarda, kapı kullanımı % 50'ye çıkarmak için 3. ve hatta 4. metal katmanlarına gereksinim duyulacaktır. CMOS üretiminde metal katmanlarının sayısını artırmak güvenilir bir yol değildir.çünkü arka arkaya yapılan taş baskılar, yüzeyin düzgünlüğünü azaltmaktadırlar. Bunu düzeltmek için ek olarak metaller arasına yalıtkan koyma işlemine gerek vardır. Eğer yonganın yapısında az bağ lantı varsa, kapı dizilerinin arasında bağlantı için ayrılmış alanlar az kullanılacaktır. Yaklaşık 20.000 kapılı veya da ha fazla yoğunluklarda ortak kullanılan sıra ya da kolon yapısı verimsiz kalmaktadır. Bu tür yapılar genellikle uzun sıralar halinde dizili çoklu transistor hücrelerinden (her hücre için 4 ya da 6 transistor) oluşur. Sıralar bağlantı kanalları olarak kullanılacak boşluklarla birbirlerinden ay rılırlar. Bu yaklaşım, yonga alanının kötü kullanımına yol açar, çünkü metal bağlantılar için yonga alanı gerekme seydi onların yerine daha fazla hücre konulabilirdi.

Bir yonga için konulan çok sayıda mantık kapısı çoğu ta sarımcının gereksinimlerini karşılar, fakat, tasarımlarda gerekebilecek olan bellek gereksinimlerini karşılayamaz. Yonganın belirli bir alanının, fabrikasyondan önce RAM'e ayrılması yonganın içindeki kapıları kullanarak yapılabile cek bir bellekten daha verimil olacaktır.

Yonganın içinde bu kadar çok kapı olması, devrenin test edilebilirliğini sağlamak için yonganın içine bir test devresi ekleme gerekliliğini getiriyor. Şimdiye kadar çok çeşitli test teknikleri ortay kondu. Bunlardan çoğunluğu LSSD'ye (Level Sensitive Scan Design Düzeye duyarjı taramalı tasarım) dayanmaktadır. Bu test devrelerinin doksanlı yıl larda da kullanılacağı tahmin edilebilmektedir, çünkü bu teknik diğer tekniklere göre, yonga içinde daha az yer kaplamaktadırlar. Entegre devre tasarımında kullanılan yazılımları geliştiren firmalar, LSSO devrelerinin içine otomatik test vektörlerini çıkaran bir devre ekleme konu sunu da araştırmaktadırlar. LSSD'y© dayanan diğer bir teknik de yalnızca yonganın iyi test edilmesini sağlamakla kalmamakta ayrıca bu yongaların oluşturduğu bir sistemi de test edilebilir yapmaktadır. (Dual scan rings Çift tara ma halkaları)

Test konusuna diğer bir yaklaşım da JTAG'tan (Joint Test Automation Group) gelmektedir. JTAG'ın geliştirdiği tek nik daha sonra bir IEEE standardı oldu (IEEE 11498), Birden fazla yonga bağlanarak JTAG standardı ile test edilmiş ve bu standardın test zamanını azalttığı sonucuna varılmıştır. JTAG standardı diğer bir çok şirket tarafından denenmiş ve hücre kütüphanelerine konulmuştur.

92 379 ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ