1. Dokumen tersebut membahas tentang maksimalkan kinerja prosesor secara paralel dengan menggunakan beberapa teknik seperti pipeline dan superscalar. 2. Ada beberapa bentuk paralelisme yaitu instruksi level dan prosesor level serta beberapa arsitektur paralel seperti SIMD, MIMD, array processor, multiprocessor, dan multicomputer. 3. Penerapan pipeline dan superscalar dapat mempercepat eksekusi instruksi secara paralel

1. MEMAKSIMALKAN PROSESOR

2. Overview
• Prosesor dapat ditingkatkan kinerjanya dengan
membuatnya bekerja secara paralel. Namun
paralelisme pada prosesor bukanlah hal yang
mudah untuk diimplementasikan apabila
terdapat ketergantungan antar proses yang
sedang dieksekusi.
• Melalui bab ini akan dipelajari bagaimana
komputer dapat ditingkatkan kinerjanya dengan
menbuat proses paralelisme pada prosesornya.

3. Tujuan
• Memahami cara mempercepat kinerja pada
prosesor secara paralel.
• Mempelajari karakteristik pada teknik
memaksimalkan kinerja prosesor.

4. Latar Belakang
• Pada saat ini aplikasi komputer (commercial & scientific)
membutuhkan sistem komputasi dengan jumlah data yang
semakin besar/kompleks dan harus diselesaikan dalam
waktu tertentu serta dengan spesifikasi yang semakin
tinggi, contoh:
– Rendering film animasi, pemodelan cuaca, desain struktural,
computer aided design (CAD) dsb.
• Beberapa pendekatan solusi permasalahan:
– Superkomputer
– Mempercepat prosesor
– memperbesar memori
– Mempercepat bus
– Sistem komputer paralel, dll

5. Proses Paralel
• Salah satu solusi permasalahan adalah sistem
komputer paralel.
• Dalam perancangan sistem komputer, penggunaan
sistem komputer paralel menjadi salah satu opsi yang
harus dipertimbangkan agar memiliki kinerja yang lebih
baik.
• Kinerja dari sistem komputer dinilai dari dua hal:
– Seberapa cepat sistem komputer tersebut bisa
menyelesaikan suatu proses.
– Seberapa kompleks permasalahan yang bisa diselesaikan
dengan ditambahkannya prosesor yang bekerja secara
paralel.

6. Komponen Sistem Komputasi Paralel
• Hardware:
– PC s.d. superkomputer
• Software
– Parallel program
• Explicit parallelism: pembagian partisi paraleldilakukan oleh
programmer
• Implicit parallelism: pembagian partisi paralel dilakukan oleh
kompiler khusus (paralel)
• Operating system
• Network:
– backplane, LAN

7. Bentuk Umum Paralelisme
• Ada dua bentuk umum paralelisme:
– Paralelisme instruksilevel
• Paralelisme dimanfaatkan dalam instruksi - instruksi
individu agar dapat mengeksekusikan lebih banyak
instruksi/detik.
– Paralelisme prosessorlevel.
• Berbagai macam CPU bersama -sama menangani
masalah.

8. Tingkat Paralelisme
• Berdasarkan tingkat paralelismenya prosesor paralel dapat
dibagi menjadi beberapa tingkat sebagai berikut :
• Komputer Array :
– Prosesor array : beberapa prosesor yang bekerja sama untuk
mengolah set instruksi yang sama dan data yang berbeda –
beda atau biasa disebut SIMD (Single Instruction-stream
Multiple Data)
– Prosesor vektor : beberapa prosesor yang disusun seperti
pipeline.
• Multiprosesor, yaitu sebuah sistem yang memiliki 2
prosesor atau lebih yang saling berbagi memori.
• Multikomputer, yaitu sebuah sistem yang memiliki 2
prosesor atau lebih yang masing-masing prosesor memiliki
memori sendiri.

9. Klasifikasi Struktur Paralel
Ada 3 klasifikasi struktur sistem komputer paralel :
• 1. Klasifikasi Flynn
– Didasarkan pada penggandaan alur instruksi dan alur
data dalam sistem komputer.
• 2. Klasifikasi Feng
– Didasarkan pada pemrosesan paralel dan serial
• 3. Klasifikasi Händler
– Didasarkan pada derajat keparalelan dan pipelining
dalam berbagai tingkat subsistem.

10. Klasifikasi Flynn
• Klasifikasi sistem komputer yang didasarkan pada
penggandaan alur instruksi dan alur data.
– Alur instruksi (instruction stream) adalah urutan instruksi yang
dilaksanakan oleh sistem komputer.
– Alur data adalah urutan data yang dipanggil oleh alur instruksi.
• Baik instruksi maupun data diambil dari modul memori
Instruksi didecode (diartikan) oleh Control Unit.
• Alur data mengalir dua arah antara prosesor dan memori.
• Ada 4 kategori sistem komputer dalam klasifikasi Flynn:
– 1. Single Instruction stream – Single Data stream (SISD)
– 2. Single Instruction stream – Multiple Data stream (SIMD)
– 3. Multiple Instruction stream – Single Data stream (MISD)
– 4. Multiple Instruction stream – Multiple Data stream (MIMD)

11. Klasifikasi Flynn dan model
pemrosesan paralel

12. SISD (Single Instruction Stream, Single
Data Stream)
• Instruksi dilaksanakan secara berurut tetapi juga
boleh overlap dalam tahapan eksekusi (pipeline)
• Sebuah instruksi tunggal berhubungan dengan
paling banyak satu operasi data serta juga dapat
di pipeline-kan ke beberapa saluran tambahan.
• Instruksi sekuensial
• Data disimpan di satu memori
• Di sebut Uni-processor

13. Sistem Komputer kategori SISD

14. SIMD (Single Instruction Stream,
Multiple Data Stream)
• Merupakan suatu instruksi tunggal mungkin mengawali sejumlah besar
operasi.
• Dilaksanakan satu per satuan waktu namun bekerja pada beberapa aliran
data sekaligus.
• Beberapa Processor Unit (Processing Element) disupervisi oleh Control
Unit yang sama.
• Semua Processing Element menerima instruksi yang sama dari control unit
tetapi mengeksekusi data yang berbeda dari alur data yang berbeda pula.
• Subsistem memori berisi modul-modul memori.
• Yang termasuk SIMD adalah Array Processor dan Vector Processor
• Sifat komputer SIMD adalah:
– 1. Mendistribusikan pemrosesan ke sejumlah hardware.
– 2. Beroperasi secara bersama-sama pada beberapa elemen data yang
berbeda.
– 3. Menjalankan komputasi yang sama pada semua elemen data.

15. Sistem Komputer kategori SIMD

16. MISD (Multiple Instruction Stream,
Single Data Stream)
• Sejumlah prosesor unit , masing-masing
menerima instruksi yang berbeda dan
mengoperasikan data yang sama.
• Output salah satu prosesor menjadi input bagi
prosesor berikutnya, dimana data akan
mengalir ke elemen pemroses serial
• Struktur komputer ini tidak praktis, sehingga
Belum dapat diimplementasikan dengan baik

17. Sistem Komputer kategori MISD

18. MIMD (Multiple Instruction Stream,
Multiple Data Stream)
• Sejumlah prosesor secara simultan mengeksekusi rangkaian
instruksi yang berbeda pada kumpulan data yang berbeda pula.
• Sifat komputer MIMD :
– 1. Mendistribusikan pemrosesan ke sejumlah prosesor independen.
– 2. Membagikan sumber termasuk memori utama ke prosesor
independen.
– 3. Setiap prosesor menjalankan programnya sendiri.
– 4. Setiap prosesor berfungsi secara independen dan bersama-sama.
• Yang termasuk MIMD
– 1. Multikomputer
– 2. Multiprosesor

19. Sistem Komputer kategori MIMD

20. Pipeline
• Teknologi pipeline yang digunakan pada
komputer bertujuan untuk meningkatkan kinerja
dari komputer.
• Secara sederhana, pipeline adalah suatu cara
yang digunakan untuk melakukan sejumlah kerja
secara bersamaan tetapi dalam tahap yang
berbeda yang dialirkan secara kontinu pada unit
pemrosesan.
• Dengan cara ini, maka unit pemroses selalu
bekerja.

21. Penerapan Pipeline
Secara umum, prinsip pipeline dapat diterapkan
padabeberbagai level, seperti:
• Level instruksi (unit pemrosesan instruksi)
– Berguna untuk komputer yang memiliki set
instruksi lebih sederhana
• Level subsystem (unit aritmatika pipeline)
– Berguna untuk operasi vektor
• Level system (level hardware/software)

22. Tahapan Pipeline
• Pada pipeline proses dapat dibagi menjadi
beberapa tahap dan beberapa proses serta dapat
dilaksanakan secara simultan.
• Operasi pipeline dilaksanakan secara siklus (cyclic
pipeline) yang dibagi dalam 5 tahap:
– Operasi baca (dari shared memories)
– Operasi decode 1 (memori ke elemen pemroses)
– Operasi pembacaan/decode 2 (di elemen pemroses)
– Operasi eksekusi (di elemen pemroses ke memori)
– Operasi transfer/simpan (elemen pemroses ke
memori)

23. Siklus Pipeline 5 Tahap

24. Pipeline pada Micro-0486
InstructionFetch
Decode1
(memoryaccess)
Decode2
Execution
Write-back
ADD eax,
mem32
Decode ADD,
fetch mem32
Decode ADD
(continued)
Write result
into eax
Add eax and
mem32
Cycle n
Cycle n+1
Cycle n+2
Cycle n+3
Cycle n+4

25. Beberapa Hal Yang Perlu
Diperhatikan :
• Penggunaan sumber daya secara bersamaan
– Karena beberapa instruksi diproses secara bersamaan ada
kemungkinan instruksi tersebut sama-sama memerlukan
resource yang sama, sehingga diperlukan adanya pengaturan
yang tepat agar proses tetap berjalan dengan benar
• Ketergantungan kepada data
– Misalnya instruksi yang berurutan memerlukan data dari
instruksi yang sebelumnya.
• Menyebabkan pengaturan Jump ke alamat memory.
– ketika sebuah instruksi meminta untuk melompat ke suatu
lokasi memori tertentu, akan terjadi perubahan program
counter, sedangkan instruksi yang sedang berada dalam salah
satu tahap proses yang berikutnya mungkin tidak mengharapkan
terjadinya perubahan program counter.

26. Superskalar
• Superscalar adalah prosesor yang dilengkapi dengan
banyak unit pengolahan untuk menangani beberapa
instruksi secara paralel pada tiap stage pengolahan.
• Prosesor tersebut mampu mencapai throughput
eksekusi lebih dari satu instruksi per cycle.
• Di dalam superscalar terdapat lebih dari satu pipeline
yang juga memiliki tugas tersendiri namun tetap
fleksibel dengan tugas yang lain.
• Bahkan untuk pipeline Floating Point (pengolah
bilangan berkoma) bisa meningkat secara tajam
kecepatannya dalam kegunaan ilmiah yang tentunya
juga banyak memerlukan bilangan berkoma.

27. Superskalar 5 Tahap
Dengan Pipeline Ganda

28. Prosesor Superskalar
Dengan 5 Satuan Fungsional

29. Arsitektur Paralel
• Dalam klasifikasi arsitektur paralel ada dua
keluarga arsitektur paralel yang banyak
diterapkan yaitu: SIMD dan MIMD
• Contoh arsitektur SIMD adalah prosesor array
• Termasuk arsitektur MIMD :
– Multikomputer (Loosely Coupled/ local memory)
dengan memori yang terdistribusi
– Multiprosesor (Tightly Coupled/ global memory)
dengan memori yang dapat digunakan bersama
(shared memory)

30. Prosesor Array
• Bentuk SIMD pengolahan paralel disebut juga
pengolahan array (array processing)
• Sebuah prosesor array terdiri dari sejumlah
besar prosesor yang sama, yang menjalankan
rangkaian instruksi yang sama pada
kumpulan data berbeda.
• Prosesor array pertama di dunia adalah
komputer ILLIAC 1V di Universitas Illinois

31. Struktur Umum 16 Prosessor array
Dan Unit Kontroltunggal

32. Multikomputer
• Meskipun multiprosesor dengan sejumlah kecil prosesor
relatif mudah untuk dibuat, multiprosesor besar sangat
sulit untuk dibuat.
• Kesulitan tersebut terutama dalam menghubungkan
semua prosesor ke memori.
• Untuk mengatasi masalah ini, dibuat sistem yang terdiri
dari banyak komputer yang saling terhubung, di mana
masing - masing memiliki memorinya sendiri, tetapi tidak
ada memori bersama. Sistem ini disebut sistem
multikomputer.
• Dalam sebuah multikomputer CPU berkomunikasi
dengan saling mengirim pesan, seperti email, tapi
dengan kecepatan lebih tinggi.

33. Multikomputer Con’t
• Karena prosesor-prosesor multikomputer harus
berkomunikasi, maka elemen penting
perancangan multikomputer adalah jaringan
interkoneksi yang harus dapat beroperasi
seefisien mungkin.
• Ada beberapa topologi interkoneksi untuk
memberikan kinerja yang efisien seperti:
– Ring
– Mesh
– Tree
– Hypercube

34. Multiprosesor
• Suatu sistem dengan lebih dari satu CPU
yang memiliki sebuah memori bersama.
• Karena setiap CPU dapat membaca atau
menulis bagian apa saja dari memori, mereka
harus berkoordinasi (dalam software) agar
tidak saling berebut jalurnya masing – masing.

35. Uniform Memory Access (UMA) MIMD
• Memungkinkan “n” prosesor mengakses “k”
memori.
• Setiap prosesor dapat mengakses tiap
memori.
• Jeda akses prosesor sama keseluruh memori.

36. Diagram UMA

37. Non-Uniform Memory Access
(NUMA) MIMD
• Melekatkan modul memori langsung ke
prosesor.
• Prosesor selain mengakses memori lokalnya
dapat juga mengakses memori lainnya melalui
jaringan.
• Terdapat perbedaan waktu antara akses ke
momori lokal dengan memori lainnya karena
akses jarak jauh melalui jaringan

38. Diagram NUMA

39. Sistem Memori Terdistribusi
• Modul memori bersifat privat untuk prosesor
yang terhubung langsung.
• Remote memori dapat diakses melalui
komunikasi pertukaran pesan dengan prosesor
remote menggunakan protokol message –
passing.

40. TERIMA KASIH