Arsitektur Komputer

Arsitektur Komputer

Arsitektur komputer adalah konsep rancangan tingkat tinggi yang mendefinisikan cara komponen perangkat keras dan perangkat lunak berinteraksi untuk menjalankan instruksi. Cakupannya meliputi model pemrosesan, set instruksi, organisasi unit pemroses, hierarki memori, subsistem masukan keluaran, serta interkoneksi antar komponen.

Sejarah Singkat

Perkembangan arsitektur komputer modern berawal dari model von Neumann yang memisahkan unit pemroses, memori, dan I/O dengan satu ruang alamat instruksi dan data. Model Harvard memperkenalkan pemisahan fisik antara memori instruksi dan memori data. Evolusi berikutnya mencakup mikroprosesor terpadu, arsitektur RISC, superskalar, eksekusi out-of-order, multi core, GPU, dan komputasi heterogen.

Komponen Utama

• Unit Pemroses Pusat (CPU): Menjalankan siklus fetch, decode, execute, write back. Terdiri dari ALU, unit kontrol, dan register.
• Memori: Register, cache L1 L2 L3, memori utama, serta penyimpanan sekunder.
• Perangkat Masukan Keluaran (I/O): Menghubungkan komputer dengan perangkat eksternal melalui pengendali dan protokol.
• Sistem Bus dan Interkoneksi: Jalur komunikasi seperti PCI Express di PC dan AMBA di sistem tertanam.

Model Arsitektur

• Von Neumann: Instruksi dan data berbagi memori serta bus yang sama. Desain sederhana dan fleksibel.
• Harvard: Memori instruksi dan data terpisah. Mengurangi konflik akses dan meningkatkan throughput.
• Modified Harvard: Kombinasi keduanya. Instruksi dan data dipisahkan pada level cache tetapi berbagi memori utama.

Set Instruksi dan Gaya Desain

• CISC (Complex Instruction Set Computer): Banyak instruksi tingkat tinggi. Contoh keluarga x86.
• RISC (Reduced Instruction Set Computer): Instruksi sederhana dan seragam. Contoh ARM dan RISC V.
• SIMD dan vektor: Eksekusi data paralel pada satu instruksi. Contoh SSE, AVX, NEON.
• GPU dan akselerator: Pemrosesan paralel masif untuk grafika, AI, serta komputasi ilmiah.

Organisasi CPU

• Pipeline: Membagi eksekusi menjadi tahap berurutan agar beberapa instruksi diproses secara tumpang tindih.
• Superskalar: Beberapa instruksi dieksekusi per siklus dengan banyak jalur eksekusi.
• Out of Order Execution: Penjadwalan ulang dinamis agar instruksi yang tidak bergantung dapat berjalan lebih cepat.
• Prediksi Cabang: Mengurangi penundaan saat alur kontrol bercabang. Dilengkapi mekanisme recovery jika prediksi salah.
• Register Renaming: Menghindari hazard data dengan memetakan ulang register arsitektural ke register fisik.

Hierarki Memori

Hierarki memori menyeimbangkan kecepatan, kapasitas, dan biaya.

Tingkat	Contoh	Perkiraan Kapasitas	Perkiraan Latensi
Register	Register umum	sangat kecil	sangat cepat
Cache L1	Instruksi dan data	puluhan KB	sangat cepat
Cache L2	Unified	ratusan KB hingga beberapa MB	cepat
Cache L3	Shared antar core	beberapa MB hingga puluhan MB	menengah
Memori utama	DDRx, LPDDRx	beberapa GB hingga ratusan GB	lebih lambat
Penyimpanan	SSD NVMe, HDD	besar	paling lambat

Konsep penting: lokalitas temporal dan spasial, konsistensi cache, serta memori virtual dengan manajemen halaman.

Subsistem I/O

I/O modern memanfaatkan pengendali khusus, antrian permintaan, dan DMA untuk efisiensi. Antarmuka populer mencakup PCIe untuk perangkat berkecepatan tinggi, USB untuk periferal umum, SATA atau NVMe untuk penyimpanan, serta Ethernet untuk jaringan.

Interkoneksi dan Koherensi

• Bus dan interconnect: PCIe, AMBA AXI, ring atau mesh on chip.
• Koherensi cache: Protokol seperti MESI menjaga konsistensi data antar cache dalam sistem multi core.
• Model memori: Mendefinisikan urutan terlihatnya operasi baca tulis pada sistem paralel.

Paralelisme dan Skalabilitas

• ILP di tingkat instruksi melalui pipeline dan superskalar.
• TLP di tingkat thread dan proses melalui multi core dan SMT.
• DLP di tingkat data melalui SIMD dan GPU.
• SMP dan NUMA untuk multiprosesor. NUMA memerlukan penempatan data yang sadar topologi.

Metrik Kinerja

• Clock dan IPC atau instruksi per siklus.
• CPI atau siklus per instruksi, waktu eksekusi, MIPS, dan FLOPS.
• Hukum Amdahl untuk batas percepatan:

<math>S_{total} = \frac{1}{(1 - p) + \frac{p}{s}}</math> dengan p proporsi bagian yang dipercepat dan s faktor percepatan.

• Hukum Gustafson menilai skala beban kerja seiring bertambahnya prosesor.

Keandalan, Daya, dan Keamanan

• Manajemen daya melalui DVFS dan power gating.
• Keandalan dengan ECC, deteksi error, dan redundansi.
• Keamanan perangkat keras meliputi enclave eksekusi tepercaya, randomisasi tata letak, serta mitigasi untuk serangan kanal samping.

Tren dan Arah Riset

• Heterogenitas CPU GPU NPU untuk beban AI.
• Memori persisten dan CXL untuk perluasan memori terhubung.
• Chiplet dan advanced packaging untuk modularitas skala pabrik.
• Akselerator domain khusus seperti tensor core dan DPU.

Contoh Implementasi

• Desktop dan server berbasis x86 dengan cache bertingkat dan PCIe.
• Perangkat bergerak berbasis ARM big little yang menyeimbangkan kinerja dan efisiensi.
• Sistem tertanam dengan bus AMBA dan memori bersama.

Lihat Pula

• Sistem Operasi
• Jaringan Komputer
• Basis Data dan Sistem Informasi
• Pengembangan Perangkat Lunak
• Cyber Threat Intelligence

Referensi

<references> <ref>Hennessy, J. L., & Patterson, D. A. (2017). Computer Architecture: A Quantitative Approach. Morgan Kaufmann.</ref> <ref>Patterson, D. A., & Hennessy, J. L. (2014). Computer Organization and Design. Morgan Kaufmann.</ref> <ref>Tanenbaum, A. S., & Austin, T. (2012). Structured Computer Organization. Pearson.</ref> <ref>Jouppi, N. et al. (2017). In-datacenter performance analysis of a tensor processing unit. ISCA.</ref> </references>