Arsitektur dan Organisasi Komputer

William Stallings

Edisi 7

Bab 2

Evolusi Komputer dan

Kinerjanya

ENIAC - background

Electronic Numerical Integrator And Computer

Eckert dan Mauchly

University of Pennsylvania

Ditargetkan untuk persenjataan

Dimulai 1943

Selesai 1946

Terlambat karena perang usai

Digunakan sampai 1955

ENIAC - rinci

Desimal (bukan biner)

20 akumulator dengan 10 digit

Diprogram manual menggunakan saklar

18,000 tabung hampa

30 ton

15,000 kaki persegi

140 kW konsumsi daya

5,000 penjumlahan per detik

von Neumann/Turing

Konsep Program Tersimpan

Memory utama menyimpan program dan data

ALU bekerja pada data biner

Unit kontrol menginterpretasi instruksi dari memory dan kemudian dijalankan.

Peralatan input dan output dioperasikan oleh unit kontrol

Princeton Institute for Advanced Studies

IAS

Selesai 1952

Struktur Mesin von Neumann

IAS - detail

1000 x 40 bit words Bilangan biner

2 x 20 bit instruksi

Kumpulan register (penyimpanan dalam CPU) Register Buffer Memory

Register Alamat Memory

Register Instruksi

Register Buffer Instruksi

Pencacah Program

Akumulator

Multiplier Quotient

Struktur IAS

detail

Komputer komersil

1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation

UNIVAC I (Universal Automatic Computer)

Perhitungan US Bureau of Census 1950

Menjadi bagian dari Sperry-Rand Corporation

Akhir 1950s - UNIVAC II

Lebih cepat

Lebih besar memory

IBM

Perangkat pemroses kartu berlubang (punched card)

1953 - the 701

Komputer IBM dg program tersimpan.

Penghitungan ilmiah (Scientific)

1955 - the 702

Aplikasi bisnis

Mengarah pada seri 700/7000

Transistor

Menggantikan tabung hampa

Lebih kecil

Lebih murah

Disipasi panas lebih rendah

Perangkat Solid State

Dibuat dari Silikon (Pasir)

Dikembangkan 1947 di Bell Labs

William Shockley dkk

Komputer Berbasis Transistor

Msin generasi kedua

NCR & RCA menghasilkan mesin transistor lebih kecil

IBM 7000

DEC - 1957

Pembuatan PDP-1

Mikroelektronik

Literally - small electronics

Komputer terdiri dari gerbang, sel-sel memory dan sambungan-sambungannya.

Dapat dibuat dengan menggunakan semikonduktor

Misal wafer silikon

Generations of Computer

Tabung hampa - 1946-1957

Transistor - 1958-1964

Integrasi skala kecil - 1965 Sampai dengan 100 devais per chip

Integrasi skala menengah s/d 1971 100-3,000 devais per chip

Integrasi skala besar - 1971-1977 3,000 - 100,000 divais per chip

Integrasi skala sangat besar - 1978 -1991 100,000 - 100,000,000 divais per chip

Integrasi skala ultra besar 1991 - Lebih dari 100,000,000 divais per chip

Hukum Moore

Meningkatkan kerapatan komponen dalam chip

Gordon Moore wakil pendiri Intel

Jumlah transistor per chip meningkat dua kali lipat setiap tahun

Sejak pengembangan tahun 1970 peningkatan sedikit lambat

Jumlah transistor meningkat dua kali tiap 18 bulan

Biaya per chip hampir tidak berubah

Kerapatan pengemasan tinggi berarti jalur elektrikal lebih pendek, memberikan kinerja lebih tinggi

Ukuran kecil meningkatkan fleksibilitas

Mengurangi daya dan kebutuhan pendinginan

Interkoneksi lebih sedikit meningkatkan keandalan

Pertumbuhan Jumlah Transistor

Seri IBM 360

1964

Menggantikan (dan tidak kompatibel dg) Seri 7000

Keluarga komputer yg direncanakan pertama kali

Kelompok instruksi serupa atau identik

Sistem operasi serupa atau identikIncreasing speed

JUmlah port I/O bertambah (misal tambahan terminal)

Ukuran memory bertambah

Biaya bertambah

Struktur saklar multipleks

DEC PDP-8

1964

Minikomputer pertama (setelah miniskirt!)

Tidak memerlukan ruang berpendingin (AC)

Cukup kecil untuk ditempatkan di meja lab

$16,000

$100k+ untuk IBM 360

Aplikasi embedded & OEM

Struktur BUS

DEC - PDP-8 : Struktur Bus

Memory Semikonduktor

1970

Fairchild

Ukuran dari sebuah inti tunggal

misal 1 bit dari penyimpanan inti magnetik

Menangani/menyimpan 256 bit

Pembacaan tak merusak

Lebih cepat dari inti

Kapasitas berlipat dua tiap tahun

Intel

1971 - 4004

Mikroprosesor pertama

Seluruh komponen CPU menggunakan chip tunggal

4 bit

Dilanjutkan dengan 8008 pada 1972

8 bit

Keduanya didesain untuk tujuan tertentu

1974 - 8080

Mikroprosesor Intel pertama untuk semua kegunaan

Peningkatan kecepatan

Pipelining

On board cache

On board L1 & L2 cache

Prediksi bercabang

Analisis aliran data

Eksekusi spekulatif

Keseimbangan kinerja

Kecepatan prosesor meningkat

Kecepatan memory meningkat

Kecepatan memory tertinggal dibanding kecepatan prosesor

Kesenjangan kinerja logika dan memory

Solusi

Meningkatkan jumlah bit yang diambil tiap satuan waktu

Membuat DRAM melebar daripada mendalam

Merubah antarmuka DRAM

Cache

Mengurangi frekuensi akses memory

Cache dan cache dalam chip lebih kompleks

Meningkatkan bandwidth interkoneksi

Bus berkecepatan tinggi

Tingkatan bus

Perangkat I/O

Peralatan dengan kebutuhan I/O yg intensif

Kebutuhan aliran data yang besar

Procesesor dapat menanganinya

Masalah dengan pergerakan data

Solusi:

Caching

Buffering

Interkoneksi bus dg kecepatan lebih tinggi

Struktur bus yang lebih jelas

Konfigurasi prosesor jamak

Laju Data Tipical Perangkat I/O

Kunci kesetimbangan

Komponen prosesor

Memory utama

Perangkat I/O

Struktur interkoneksi

Perbaikan organisasi dan Arsitektur Chip

Peningkatan kecepatan perangkat keras prosesor

Pada dasarnya disebabkan oleh mengecilnya ukuran gerbang logika

Lebih banyak gerbang, dikemas lebih ringkas, peningkatan laju clock

Waktu perambatan dari sinyal berkurang

Peningkatan ukuran dan kecepatan cache

Ditujukan sebagai bagian dari chip prosesor

Waktu akses cache turun secara signifikan

Merubah organisasi dan arsitektur prosesor

Meningkatkan kecepatan efektif dari eksekusi

Paralelisme

Masalah dengan kecepatan clock dan

kerapatan login

Daya

Kerapatan data meningkat seiring kerapatan logika dan kecepatan clock

Panas yang dihasilkan

Delay RC

Kecepatan alir elektrom dibatasi oleh hambatan dan kapasitansi dari kawat logam yang menghubungkannya

Delay meningkat seiring peningkatan nilai RC

Kabel penghubung semakin tipis akan meningkatkan hambatan

Kawat semakin pendek akan meningkatkan kapasitansi

Memory latency

Kecepatan memory tertinggal dari kecepatan prosesor

Solusi:

More emphasis on organizational and architectural approaches

Kinerja Mikroprosesor Intel

Peningkatan Kapasitas Cache

Terdapat dua atau tiga tingkatan cache antara prosesor dan memory

Peningkatan kerapatan chip

Lebih banyak memory cache dalam chip

Akses cache lebih cepat

Chip Pentium mengalokasikan sekitar 10% area chip untuk cache

Pentium 4 mengalokasikan sekitar 50%

Eksekusi Logika yg Lebih Kompleks

Menyediakan eksekusi paralel dari instruksi

Jalur pipa kerja seperti jalur penggabungan

Tahap-tahap berbeda dari ekskusi intsruksi berbeda pada saat yang sama sepanjang jalur pipa

Superskalar mengijinkan jalur pipa jamak dalam prosesor

Instruksi-instruksi yang tidak tergantung pada instruksi yang lain dapat diekskusi secara paralel

Diminishing Returns

Organisasi internal prosesor adalah kompleks

Dapat digunakan untuk paralelisme

Peningkatan signifikan lebih lanjut dapat menjadi yang terbaru

Manfaat dari cache mendekati limit(batas)

Peningkatan laju clock akan menyebabkan masalah disipasi daya

Beberapa batas-batas fisika dasar akan dicapai

Pendekatan Baru Inti Jamak

Prosesor jamak dalam satu chip Cache yang digunakan bersama besar

Dalam sebuah prosesor, kenaikan kinerja sebanding dengan akar kuadrat kenaikan kompleksitas

Jika perangkat lunak dapat menggunakan prosesor jamak, jumlah prosesor berlipat akan menghasilkan kinerja yang berlipat juga

Penggunaan dua prosesor sederhana dalam chip lebih baik daripada satu prosesor komplek

Dengan dua prosesor, cache lebih besar dapat digunakan Konsumsi daya dari logika memory lebih kecil daripada

logika pemrosesan

Contoh: IBM POWER4 Dua inti berbasis PowerPC

POWER4 Chip Organization

Evolusi Pentium (1)

8080 Mikroprosesor kegunaan umum pertama

8 bit jalur data

Digunakan pada komputer personal pertama- Altair

8086 Lebih bertenaga

16 bit

Cache instruksi, beberap instruksi di-fetch dulu

8088 (8 bit bus luar) digunakan dalam PC IBM pertama

80286 16 Mbyte memory dapat dialamati

Sampai dengan 1Mb

80386 32 bit

Mendukung multitasking

Evolusi Pentium (2)

80486 Cache bertenaga yang memuaskan dan

pipelining instruksi

Dibuat sekaligus co-processor matematika

Pentium Superskalar

Beberapa instruksi dijalankan secara paralel

Pentium Pro Peningkatan organisasi superskalar

Penamaan register secara agresif

Prediksi bercabang

Analisis aliran data

Eksekusi spekulatif

Evolusi Pentium (3)

Pentium II Teknologi MMX

Pemrosesan grafik, video & audio

Pentium III Instruksi floating point tambahan untuk grafik 3D

Pentium 4 Menggunakan angka Arabic bukan Roman

Peningkatan floating point dan multimedia lebih lanjut

Itanium 64 bit

Lihat Bab 15

Itanium 2 Peningkatan perangkat keras untuk meningkatkan

kecepatan

Lihat situs Intel untuk mendapatkan informasi detail dari prosesor-prosesor tersebut.

PowerPC

1975, Proyek minikomputer 801 (IBM) RISC

Prosesor Berkeley RISC I

1986, IBM memproduksi komputer kerja RISC, RT PC.

Tidak sukses secara komersil

Banyak saingan yang sama atau kinerja lebih baik

1990, IBM RISC System/6000

Mesin superskalar mirip RISC

Arsitektur POWER

IBM bekerja sama dengan Motorola (Mikroprosesor 68000), dan Apple, (Macintosh menggunakan 68000)

Menghasilkan arsitektur PowerPC

Turunan dari arsitektur POWER

Superskalar RISC

Apple Macintosh

Menyatu dengan aplikasi chip

Keluarga PowerPC (1)

601: Dipasarkan dengan cepat. Mesin 32-bit

603: Komputer kerja kelas rendah dan jinjing

32-bit

Kinerja setara dengan 601

Biaya rendah dan implementasi lebih efisien

604: Desktop and server kelas rendah

Mesin 32-bit

Desain superskalar yang lebih canggih

Kinerja lebih baik

620: Server kelas tinggi

Arsitektur 64-bit

Keluarga PowerPC (2)

740/750:

Dikenal juga sebagai G3

Dua tingkatan cache dalam chip

G4:

Peningkatan paralelisme dan kecepatan internal

G5:

Perbaikan dalam paralelisme dan kecepatan internal

Organisasi 64-bit

Rujukan di Internet

http://www.intel.com/

Search for the Intel Museum

http://www.ibm.com

http://www.dec.com

Charles Babbage Institute

PowerPC

Intel Developer Home