Arsitektur dan Organisasi Komputer : Rangkuman Pengukuran Performa, Hukum Amdahl, dan Hukum Little
Designing For Performance
Dasarnya setiap tahun, harga elektronika—terutama hal yang berbau perihal teknologi dengan basis prosesor dan mikroprosesor—akan terus turun. Hal ini dibenarkan pada justifikasi bahwa komputer—laptop dalam pola ini—tahun 1997, Gateway 2000, mempunyai harga sekitar 1499 dollar US ( 2360 dollar US untuk inflasi tahun 2019 ). Gateway 2000 ini tersendiri mempunyai spesifikasi berupa prosesor Intel Pentium II ( Clock Base 266MHz, 512K Byte Cache), RAM 128MB SDRAM, GPU AccelGraphics Permedia 2, dan Hard Drive 6.4GB Ultra ATA Drive.
Akan tetapi sebab perkembangan prosesor yang jumlah transistornya akan bertambah tiap tahunnya, harga laptop Gateway 2000 jatuh ke harga 749 dollar US ( atau 1179 dollar US untuk inflasi tahun 2019 ). Perkembangan prosesor dalam hal ini mencakup kinerja image processing, 3-D Rendering, Speech and Voice Recognition, Videoconferencing, Multimedia, Video Editing, dan Simulation Modelling yang memang harus dituntut lebih cepat, kencang dan lebih baik dengan meniru jumlah transistor. Hal inilah—jatuhnya harga elektronik dengan perkembangan transistor yang bertambah—yang kemudian disebut dengan Hukum Moore—Moore’s Law.
Microprocessor Speed
Mikroprosesor yakni sebuah central processing unit (CPU) elektronik komputer yang terbuat dari transistor mini dan sirkuit lainnya di atas sebuah sirkuit terintegrasi semikonduktor.
Seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya perihal aturan Moore, bahwa setiap generasi gres dari suatu chip setiap tiga tahun dengan 4 kali lebih banyak transistornya, di dalam memory chip kapasitas DRAM—Dynamic Random Access Memory—akan 4 kali lipat lebih banyak pula. Dalam microprosesor, penambahan base speed, penambahan circuit gres terus berkembang tiap tahunnya dan bahkan semenjak Intel pertama kali merilis Intel x86 pada tahun 1978, perkembangan performa mereka akan 3 – 4 kali lebih cepat tiap 3 tahun. Hal ini juga tidak terlepas dengan bagaiman mereka membuat suatu prosesor secara kontemporer.
Ada beberapa teknik untuk membuat prosesor secara kontemporer, meliputi
- Pipelining
- Branch Prediction
- Superscalar execution
- Data flow analysis
- Speculative execution
Berikut Penjelasannya
Pipelining adalah sebuat set sanksi yang terdiri dari beberapa stage operasi, termasuk proses fetch instruksi, decoding opcode, perhitungan performa, dan lainnya yang bisa mengaktifkan sebuah prosesor untuk bekerja secara bersamaan dalam beberapa perintah. Pipeline bersifat assembly line.
Branch Prediction adalah sebuah set aba-aba kode yang memberitahu prosesor sebuah aba-aba selanjutnya dari serangkaian proses. Maksunya yakni bahwa Branch Prediction akan menawarkan petunjuk perihal proses yang akan dilakukan oleh prosesor ibarat proses fetch memory, dan proses yang lainnya.
Superscalar execution adalah sebuah kemampuan untuk melaksanakan satu atau lebih aba-aba dalam setiap prosesor clock cycle. Dalam hal ini, digunakanlah beberapa pipeline yang bersifat pararel.
Data flow analysis adalah kemampuan sebuah prosesor untuk menganalisis aba-aba yang bergantung dari hasil data untuk membuat jadwal instruksi. Hal ini akan mencegah terjadinya delay yang tidak penting.
Speculative execution adalah sebuah proses dari prosesor untuk mengspekulasikan aba-aba sanksi selanjutnya dari hasil sesungguhnya dan disimpan dalam daerah yang sementara.
Performance Balance
Terkadang persoalan sanggup mucul sebab ada beberapa hal di dalam proses dalam prosessor ibarat persoalan mismatch antara sebuah prosessor dan main memory. Bisa saja saat kecepatan prosesor meningkat secara tajam, kecepatan transmisi data antara memori utama dan prosessor sanggup mengalami lag atau delay.
Kunci utama biar kinerja prosesor optimal yakni sebuah keseimbangan atau disebut juga dengan balance. Seorang desainer harus dituntut bisa mengoptimalkan kinerja prosesor , memori utama, I/O devices, dan struktur interkoneksi. Hal ini harus terjadi dengan dilakukannya dua hal/faktor:
- Performa yang terus berubah di beberapa hal sanggup menjadikan perubahan secara dramatis
- Aplikasi gres secara konstan berubah nature yang berbasis dari demand dalam aba-aba profile
Improvements of Chip Organization and Architecture
Ada 3 hal yang perlu diperhatikan dalam meningkatkan performa kecepatan prosesor
- Meningkatkan kecepatan hardware prosesor dengan meningkatkan base clock speed dari prosesor tersebut.
- Meningkatkan ukuran dan kecepatan caches
- Melakukan modifikasi terhadap aritektur dan organisasi prosesor yang sanggup meningkatkan kecepatan, efektifitas untuk melaksanakan set aba-aba eksekusi.
Kemudian, meskipun ketiga hal yang mendasar untuk melaksanakan peningkatan prosesor secara hardware, tentu ada beberapa halangan atau rintangan untuk melaksanakan hal tersebut seperti;
- Power harus ditingkatkan kembali dayanya
- RC Delay yang terbatas sebab mengecilnya ukuran CPU secara umum
- Memori dan Latency lag speed
Dua Hukum Performa Prosesor
Amdahl’s Law ( Hukum Amdahl )
Hukum Amdahl intinya bahwa kecepatan dalam aspek teknologi ataupun desain tidak menghasilkan peningkatan performa secara signifikan, tetapi melalui pembaharuan peralatan perangkat keras maupun perangkat lunak juga menjadi hal yang perlu diperhitungkan. Artinya, sebuah komputer dinyatakan meningkat kecepatannya apabila hardware diperbaharui ataupun software yang diperbaharui.
Hukum Amdahl sendiri tercipta oleh Gene Amdahl di tahun 1967. Dalam aturan Amdahl, berisi cara untuk menghitung speed-up yang dilakukan yaitu dengan rumus berikut
Dimana :
F = proporsi waktu eksekusi
N = speed up dari sistem yang sudah ditingkatkan
Speedup = thoeritical speedup
Contoh Soal
Jika waktu sanksi yang dipakai akan 30% lebih efisien dan peningkatan performa yang terjadi akan 2 kali lipat. Maka rata-rata speedup yang terjadi :
Dimana :
Slatency = Speed Up secara umum ( rata-rata speedup )
p = Waktu Eksekusi
s = Peningkatan Perfroma—speed up pada komponen tertentu
Little Law ( Hukum Little )
Hukum Little ini berlaku dalam bentuk sistem antrian atau queuing system. Asumsikan elemen utama yakni sebuah server yang berisikan sebuah item. Item tersebut akan dijalankan dan didistribusikan ke sistem. Jika dalam keadaan idle—tidak sibuk, item akan dikirimkan secara langsung. Namun, apabila sedang sibuk, iteam akan dikirim ke daerah queue—diantrikan. Tempat queue juga ada macamnya—single dan multiple.
Bedasarkan ilustrasi tadi, Hukum Little dapar diekspresikan melalui rumus berikut:
Dimana
L = Rata-rata unit yang terjadi pada satu waktu
λ = Item per unit time
W = waktu
Basic Measure of Computer Performance
Ada 2 hal yang mendasar perihal perhitungan dasar sebuah performa komputer, yaitu meliputi;
- Clock Speed
- IER ( Instruction Execution Rate )
Clock Speed
Clock Speed secara harfiah berarti kecepatan clock. Secara istilah berarti besaran kecepatan yang dilakukan oleh sebuah prosesor untuk mengirimkan sebuah set aba-aba atau siklus aba-aba per detiknya--tempo dari prosesor. Lazimnya dikenali dalam bentuk Hz—satuan frekuensi. Sebagai contoh, sebuah prosesor Intel® Pentium Gold G4560 mempunyai base clock speed sebesar 3.5GHz. Hal ini berarti sebuah prosesor Intel® Pentium Gold G4560 bisa mengirimkan atau melaksanakan set aba-aba dari siklus aba-aba sebanyak 3.5 x 109 aba-aba per detiknya atau 3,5 miliar pulse per second.
Kecepatan prosesor Intel® Pentium Gold G4560 dengan kecepatan 3.5GHz disebut juga dengan Clock Rate atau Clock Speed. Dalam increment tingkat 1, atau satu pulse biasa juga disebut Clock Cycle atau Clock Tick. Waktu antara pulse dengan pulse disebut dengan Cycle Time.
Instruction Execution Rate
Eksekusi Instruksi Rate sanggup dihitung dengan rumus berikut
Dimana :
CPI = Rata-rata cycle per instruction keseluruhan
CPIi = cycle yang diharapkan dari sebuah aba-aba tipe i
Ii = Jumlah aba-aba tipe i yang diberikan jadwal yang dilakukan
Ic = Jumlah aba-aba keseluruhan
Kemudian sanggup diekspresikan sebagai berikut
Kita sanggup mengetahui bahwa CPI itu sendiri diproses oleh prosesor, memory, dan memori cycle time. Makara kita sanggup merumuskan kembali sebagai berikut.
Dimana :
T = prosesor time yang diharapkan untuk mengeksekusi program
Ic = Jumlah aba-aba keseluruhan
p = jumlah siklus prosesor yang diharapkan untuk decode dan mengeksekusi instruksi
m = Memori yang dibutuhkan
k = rasio antara waktu siklus memori dan siklus prosesor
τ = konstata cycle time
Bedasarkan rumus tersebut pula, kita sanggup mengetahui faktor-faktor yang menghipnotis performa, yaitu
- Arsitektur Set Instruksi
- Teknologi Compiler
- Implementasi Prosesor
- Cache dan Hieraki Memori
Ada juga yang disebut dengan MIPS atau millions of instruction per second yang berarti sebuah pengukuran umum untuk performa prosesor yang dirumuskan sebagai berikut
Dimana
MIPS Rate = Jutaan Instruksi per Detik
F = Frekuensi
CPI = Rata-rata Cycle keseluruhan
Ic = Jumlah Instruksi Keseluruhan
T = prosesor time yang diharapkan untuk mengeksekusi program
Selain MIPS Rate, ada pula MFLOPS Rate atau millions of floating-point operations per second. MFLOPS Rate diimplementasikan pada performa aba-aba floating-point pada aplikasi saintifik dan permainan gim. Berikut rumusnya
Sumber
Stallings, Williams. 2016. Computer Organization And Architecture: Designing for Performance Tenth Edition. United States of America. Pearson Education
M. Gilmore, Charles. 1996. Microprocessors: Principles And Applications Second Edition. New York. McGraw Hill
https://itstillworks.com/specifications-gateway-2000-computer-7699939.html
https://ark.intel.com/content/www/us/en/ark/products/97143/intel-pentium-processor-g4560-3m-cache-3-50-ghz.html
