Kendi mikroişlemcisini tasarlayıp gerçek silikon kalıba döktürdü

Yapılan şey tam olarak ne

Projenin adı BreakingTTAPs. Depodaki tanımıyla "wafer.space'in ilk MPW dilimi için hazırlanmış, taşıma tetiklemeli mimaride gösteri işlemcisi". MPW, çok sayıda farklı tasarımın tek bir üretim turunda aynı silikon levhayı paylaşması demek; masrafı bölüştüren bu ortak yolculuk olmasa tek başına bir hobi çipi üretmenin anlamı olmazdı.

Tasarımcı deneyimli bir yonga mühendisi değil. Kaynak kodun kendi açıklama dosyasında şöyle yazıyor: "O sırada hem Spade'e hem de çip tasarımına çok yeniydim, yani kesinlikle pürüzler var." Aynı not, kodun artık bir yaşına yaklaştığını ve derlemek için ufak düzeltmeler isteyebileceğini de ekliyor. Dosyalar CERN-OHL-S-2.0 açık donanım lisansıyla paylaşılmış.

Breaking Taps kanalının yayımladığı "Designing Silicon From Scratch" başlıklı videoda tasarımdan üretime kadarki adımlar tek tek gösteriliyor:

Çipi "yazmak": donanım tanımlama dili ne demek

Bir işlemci çizilmez, yazılır. Donanım tanımlama dili (HDL), devrenin ne yapacağını metin olarak anlatmaya yarayan dildir; yazılım dillerine benzer ama sonucu bir program değil, bir devre şemasıdır. Yaygın olanları Verilog ve VHDL. Breaking Taps bunların yerine Spade adlı yeni bir dili seçmiş.

Spade, kendi tanıtımına göre "modern yazılım dillerinden esinlenmiş" bir donanım dili: katı tip denetimi, dilin içine gömülmüş boru hattı yapıları ve anlaşılır derleyici hataları vaat ediyor; tip sistemi için Rust, Haskell ve Scala'dan ilham aldığını söylüyor. Yüksek seviyeli sentez araçlarından farklı olarak RTL düzeyinde çalışıyor, yani üretilecek donanımın denetimi tasarımcıda kalıyor. Yazılan Spade kodu sonunda Verilog'a çevriliyor ve mevcut zincire böyle bağlanıyor. Proje, Münih Uygulamalı Bilimler Üniversitesi'ndeki AEMY grubu tarafından geliştiriliyor; ilk adımları Linköping Üniversitesi'ndeki ELDA grubunda atılmış. Katkı verenler arasında Frans Skarman, Oscar Gustafsson ve Gustav Sörnäs sayılıyor. MIT ve Apache lisanslarıyla açık.

Metinden fiziksel devreye geçiş işine sentez deniyor. Kabaca şu: yazdığınız "şu iki sayıyı topla" cümlesi, önce kapı ve yazmaç gibi temel yapı taşlarına, sonra silikon üstündeki gerçek şekillere dönüştürülüyor. BreakingTTAPs deposunda bu iş için LibreLane ve OpenROAD kullanılmış — ikisi de açık kaynak. Doğrulama tarafında Icarus Verilog benzetimcisi ve Python tabanlı cocotb test ortamı var. Zincirin sonunda fabrikanın istediği GDS dosyası çıkıyor; bunu fabrikaya göndermenin adı da tape-out.

FPGA ile ASIC neden aynı şey değil

Meraklıların işlemci tasarımıyla tanıştığı yer genelde FPGA kartlarıdır. FPGA, içi baştan boş bırakılmış, istediğiniz devreye göre yeniden bağlanabilen bir çiptir; bir devreyi saniyeler içinde yükler, beğenmezseniz siler, yenisini yazarsınız. Lego gibi: aynı parçalarla bugün bir araba, yarın bir kule yaparsınız.

Bir ASIC ise tek bir amaca göre dökülmüş çiptir. Fabrikadan çıktığı andan itibaren sabittir; bir hata varsa yazılım güncellemesiyle düzeltilmez, yeni bir tur beklemek gerekir. Karşılığında çok daha az yer kaplar, çok daha az enerji harcar ve çok daha hızlı çalışır. Breaking Taps'in yaptığı da bu ikinci türden: tasarım önce FPGA üzerinde denenebilir, ama silikona döküldüğünde geri dönüşü yoktur.

Alışılmadık bir komut kümesi: hesap yapmak yerine veri taşımak

Komut kümesi, bir işlemcinin anladığı emirler listesidir; "topla", "belleğe yaz", "şuraya atla" gibi. Breaking Taps'in seçtiği taşıma tetiklemeli mimari bu alışkanlığı tersine çeviriyor. Hackaday'in aktardığına göre tasarımda iki veri yolu var ve programcı doğrudan bu yolları yönetiyor.

Wikipedia'daki tanımıyla bu mimaride "programlar işlemcinin iç taşıma yollarını doğrudan denetler; hesaplama, veri taşımanın yan etkisi olarak gerçekleşir". Yani "topla" diye bir emir yoktur. İlk sayıyı toplayıcı biriminin girişine taşırsınız, ikinci sayıyı tetikleyici girişine taşırsınız — toplama işlemi bu ikinci taşımanın kendisiyle başlar — sonra sonucu çıkıştan alıp gideceği yere taşırsınız. Tek satırlık iş, üç taşımaya dönüşür.

Bu tercihin bedeli var. Aynı kaynağa göre taşıma tetiklemeli işlemcilerde derlenen program yalnızca o donanıma uyar, benzer bir başka taşıma tetiklemeli çipte çalışmaz; ayrıca "zamanlama tamamen programcının sorumluluğundadır" ve kesme yönetimi karmaşıklaşır. Genel amaçlı bilgisayarlar için pek uygun görülmez; asıl ilgi alanı, belirli bir işe göre biçilmiş özel işlemciler. Ticari olarak satılmış tek örnek Maxim Integrated'in MAXQ denetleyicisi; gerisi MOVE ve OpenASIP gibi araştırma projeleri. Yani burada güvenli ve tanıdık bir yol değil, bilerek seçilmiş zor bir yol var.

Fiyat listesi artık herkese açık

İşin en çarpıcı yanı belki de şu: üretimin fiyatı artık bir web sayfasında yazıyor. Singapur merkezli Wafer Space PTE. LTD., GlobalFoundries'in GF180MCU adlı 180 nanometrelik karma sinyal sürecini kullanıyor ve dilim üzerindeki yerleri yuva yuva satıyor. Kendi yayımladığı listeden:

Yuva	Kalıp ölçüsü	Alan	Standart fiyat
1 × 1	3,93 × 5,12 mm	20,12 mm²	8.000 dolar
1 × 0,5	3,93 × 2,53 mm	9,94 mm²	5.000 dolar
0,5 × 1	1,94 × 5,12 mm	9,93 mm²	5.000 dolar
0,5 × 0,5	1,94 × 2,53 mm	4,9 mm²	3.000 dolar

Rakamlar wafer.space'in kendi fiyat sayfasından. Önemli ayrıntı: her yuva size 1.000 adet kalıp getiriyor. En küçük yuvada erken kayıt fiyatı 2.000 dolara iniyor ve bu, kalıp başına 2 dolar demek. Çipleri karta lehimli ve kapaklanmış olarak istiyorsanız 1.500 dolarlık paketleme seçeneği ekleniyor. Takvim de sayfada: erken kayıt 30 Eylül 2026'da, satın alma 9 Aralık 2026'da, tasarım teslimi 16 Aralık 2026'da kapanıyor; parçalar 2027'nin ikinci çeyreğinde yola çıkıyor.

Daha ucuz kapı: 160 × 100 mikrometre kiralamak

Bütün bir yuva almak istemeyenler için Tiny Tapeout var. Matt Venn'in yürüttüğü proje, yüzlerce tasarımı tek çipte topluyor ve herkese bir "döşeme" satıyor. Kendi sık sorulan sorular sayfasına göre standart döşeme yaklaşık 160 × 100 mikrometre ve karmaşıklığa bağlı olarak kabaca 1.000 mantık kapısı alıyor. Bir tırnağın üstüne yüzlercesi sığar.

Fiyatlandırma tura göre değişiyor. eeNews Europe'un aktardığı güncel yapıda geliştirme kiti 300 avro, ek döşeme 70 avro. Altıncı turda ilk 100 başvuru için tek döşeme, çip ve gösteri kartı dahil 150 dolardı; sonrası 300 dolara çıkıyordu. Beşinci turda 174 başvuru gelmiş ve ayrılan yerin yüzde 75'i dolmuş. Tasarımı tarayıcıdan çıkmadan Wokwi ile çizebiliyor ya da Verilog yazabiliyorsunuz; Verilog'u üretime giden GDS dosyasına çeviren OpenLane da açık kaynak.

Bu kapıyı açan şey: ücretsiz üretim kitleri

Bütün bunların altında tek bir kırılma var. Fabrikaya çip gönderebilmek için PDK denen bir dosya yığınına ihtiyacınız olur. Tim Ansell'in The Amp Hour programındaki tarifiyle: "PDK, üretim geliştirme kiti demek. Temelde silikon çip ya da bütünleşik devre üretmek için gereken temel bilgi." Bu kitler onlarca yıl boyunca gizlilik anlaşmasıyla korunan ticari sırlardı; yani kodunuzu yazsanız bile fabrikanın kurallarını bilmediğiniz için üretim yapamazdınız.

Ansell, Google'dayken iki üretim kitini açık lisansla yayımlayan ekibin içindeydi: Minnesota'daki SkyWater'ın 130 nanometrelik Sky130 süreci ve Singapur'daki GlobalFoundries'in GF180MCU süreci. Aynı söyleşide, bu teknolojiyle daha önce üretilmiş "en az 80 tasarım" olduğunu söylüyor. Sky130'u toplu turlara dönüştüren eFabless 2025 başında kapanınca Ansell, GF180MCU için aynı hizmeti vermek üzere Wafer Space'i kurdu.

O kapanış ucuz atlatılmadı. eeNews Europe'a göre eFabless'in Mart 2025'te kapanması Tiny Tapeout'un sekizinci ve dokuzuncu turlarını geciktirdi, onuncu turu iptal etti ve toplam 500 çip tasarımını etkiledi. Sky130'a erişim, eFabless'in kurucuları Jeff DiCorpo ve Mohammed Kassem'in kurduğu ChipFoundry.io ile yeniden açıldı. Aynı haberdeki ankete göre Tiny Tapeout katılımcılarının yüzde 38'i artık sanayiden geliyor — 2023'teki oran yüzde 14'tü — hobicilerin payı ise yüzde 20.

Komut kümeleri de açıldı

Donanım tarafındaki bu açılmanın bir de mimari tarafı var. Uzun yıllar boyunca bir işlemcinin anlayacağı komut listesi bile lisanslı maldı: x86 ve ARM, kullanmak için para ve izin isteyen kapalı tanımlar. RISC-V bu dengeyi bozdu. 2010'da California Üniversitesi Berkeley'de, David Patterson'ın yönettiği Par Lab bünyesinde Krste Asanović ile lisansüstü öğrencileri Yunsup Lee ve Andrew Waterman tarafından başlatıldı ve telif bedeli istemeyen açık bir standart olarak yayımlandı.

Sonucu şu: bugün bir öğrenci, açık bir komut kümesini alıp açık araçlarla bir işlemci yazabiliyor, açık bir üretim kitiyle bunu üretilebilir bir dosyaya çevirebiliyor ve ortak bir dilimde birkaç yüz dolara gerçek silikona döktürebiliyor. Zincirin hiçbir halkasında artık imzalanacak bir gizlilik anlaşması yok. Breaking Taps'in çipi RISC-V kullanmıyor — bilinçli olarak çok daha uçta bir mimari seçilmiş — ama o çipin var olabilmesini sağlayan ekosistemi kuran hareket aynı hareket.

Sınırları dürüstçe: bu bir telefon çipi değil

Heyecanı doğru ölçekte tutmak gerekiyor. Burada konuşulan süreçler 180 ve 130 nanometre; olgun, ucuz ve açılabilmiş oldukları için seçilmiş düğümler. Hackaday'in de belirttiği gibi, eski üretim teknolojisiyle çalışmak kalıbı gözle görülür biçimde büyütüyor. Bir Tiny Tapeout döşemesine sığan yaklaşık 1.000 mantık kapısı, modern bir çipin içindeki milyarlarca elemanın yanında küçük bir mantık bloğu kadar yer tutar.

Maliyet de hâlâ hobi eşiğinin üstünde. Hackaday bunu açıkça yazıyor: bu, cebinde parası olanlara verilen bir hizmet. En küçük yuva için 3.000 dolar, paketleme isterseniz üstüne 1.500 dolar. Takvim ise başka bir gerçeği anlatıyor: Aralık 2026'da gönderdiğiniz tasarımın parçaları 2027'nin ikinci çeyreğinde elinize geçiyor. Aradaki aylarda tasarımınızda bir hata olup olmadığını öğrenmenin yolu yok; düzeltme şansınız bir sonraki tur.

Sonuç olarak ortaya çıkan parça, hızıyla ya da kapasitesiyle rekabet eden bir ürün değil. Değeri başka yerde: bir kişinin, kendi masasında, kendi yazdığı mantığı fiziksel bir nesneye dönüştürmüş olmasında. Hackaday'in benzetmesiyle bu alan, zamanla ucuzlayan pek çok üretim teknolojisiyle aynı yoldan ilerliyor.

Sırada ne var

Asıl soru fiyatın ne kadar daha düşeceği değil, kimin eline geçeceği. Üç boyutlu yazıcılar 1990'larda on binlerce dolarlıktı ve yalnız firmalardaydı; bugün bir üniversite kulübünün bütçesiyle alınıyor. Çip üretimi de benzer bir eğriye girmiş görünüyor — ama oradaki fabrika yatırımı kıyaslanamayacak kadar ağır, o yüzden eğrinin nereye kadar ineceği belirsiz.

Bir de şu var: Tiny Tapeout katılımcılarının artık yüzde 38'i sanayiden. Ucuz ve açık üretim yolları, hobicilerin oyuncağı olarak mı kalacak, yoksa küçük ekiplerin ürün geliştirdiği gerçek bir yol mu olacak? Bir mühendislik öğrencisinin mezun olmadan kendi çipini elinde tutabildiği bir dünyada, on yıl sonra bir yonga tasarımcısının işe alınırken gösterdiği portföyün neye benzeyeceğini kestirmek zor.

Fotoğraf: Zeptobars; Mikhail Svarichevsky, CC BY 3.0, Wikimedia Commons