RISC DAN SUPERSCALAR

RISC DAN SUPERSCALAR

A.    RISC (Reduced Instruction Set Computing)

1.      Pengertian

Reduced Instruction Set Computing (RISC) atau “Komputasi set instruksi yang disederhanakan” pertama kali digagas oleh John Cocke, peneliti dari IBM di Yorktown, New York pada tahun 1974 saat ia membuktikan bahwa sekitar 20% instruksi pada sebuah prosesor ternyata menangani sekitar 80% dari keseluruhan kerjanya.

RISC, yang jika diterjemahkan berarti “Komputasi Kumpulan Instruksi yang Disederhanakan”, merupakan sebuah arsitektur komputer atau arsitektur komputasi modern dengan instruksi-instruksi dan jenis eksekusi yang paling sederhana. Arsitektur ini digunakan pada komputer dengan kinerja tinggi, seperti komputer vektor. Selain digunakan dalam komputer vektor, desain ini juga diimplementasikan pada prosesor komputer lain, seperti pada beberapa mikroprosesor Intel 960, Itanium (IA64). 

2.      Ciri-ciri RISC

a.       Instruksi berukuran tunggal

b.      Ukuran yang umum adalah 4 byte

c.       Jumlah pengalamatan data sedikit, biasanya kurang dari 5 buah.

d.      Tidak terdapat pengalamatan tak langsung yang mengharuskan melakukan sebuah akses memori agar memperoleh alamat operand lainnya dalam memori.

e.       Tidak terdapat operasi yang menggabungkan operasi load/store dengan operasi aritmatika, seperti penambahan ke memori dan penambahan dari memori.

f.       Tidak terdapat lebih dari satu operand beralamat memori per instruksi

g.      Tidak mendukung perataan sembarang bagi data untuk operasi load/ store.

h.      Jumlah maksimum pemakaian memori manajemen bagi suatu alamat data adalah sebuah instruksi.

i.        Jumlah bit bagi integer register spesifier sama dengan 5 atau lebih, artinya sedikitnya 32 buah register integer dapat direferensikan sekaligus secara eksplisit.

j.        Jumlah bit floating point register spesifier sama dengan 4 atau lebih, artinya sedikitnya 16 register floating point dapat direferensikan sekaligus secara eksplisit

3.      Fase Awal Perkembangan Prosesor RISC

a.      Ide Dasar

Ide dasar prosesor RISC sebenarnya bisa dilacak dari apa yang disarankan oleh Von Neumann pada tahun 1946. Von Neumann menyarankan agar rangkaian elektronik untuk konsep logika diimplementasikan hanya bila memang diperlukan untuk melengkapi sistem agar berfungsi atau karena frekuensi penggunaannya cukup tinggi (Heudin, 1992 : 18). Jadi ide tentang RISC, yang pada dasarnya adalah untuk menyederhanakan realisasi perangkat keras prosesor dengan melimpahkan sebagian besar tugas kepada perangkat lunaknya, telah ada pada komputer elektronik pertama. Seperti halnya prosesor RISC, komputer elektronik pertama merupakan komputer eksekusi-langsung yang memiliki instruksi sederhana dan mudah didekode. Hal yang sama dipercayai juga oleh Seymour Cray, spesialis pembuat superkomputer. Pada tahun 1975, berdasarkan kajian yang dilakukannya, Seymour Cray menyimpulkan bahwa penggunaan register sebagai tempat manipulasi data menyebabkan rancangan instruksi menjadi sangat sederhana.

Ketika itu perancang prosesor lain lebih banyak membuat instruksi-instruksi yang merujuk ke memori daripada ke register seperti rancangan Seymour Cray. Sampai akhir tahun 1980-an komputer-komputer rancangan Seymour Cray, dalam bentuk superkomputer seri Cray, merupakan komputer-komputer dengan kinerja sangat tinggi. Pada tahun 1975, kelompok peneliti di IBM di bawah pimpinan George Radin, memulai merancang komputer berdasar konsep John Cocke. Berdasarkan saran John Cocke, setelah meneliti frekuensi pemanfaatan instruksi hasil kompilasi suatu program, untuk memperoleh prosesor berkinerja tinggi tidak perlu diimplementasikan instruksi kompleks ke dalam prosesor bila instruksi tersebut dapat dibuat dari instruksi-instruksi sederhana yang telah dimilikinya. Kelompok IBM ini menghasilkan komputer 801 yang menggunakan instruksi format-tetap dan dapat dieksekusi dalam satu siklus detak (Robinson, 1987 : 143).

b.      Prosesor RISC Berkeley

Kelompok David Patterson dari Universitas California memulai proyek RISC pada tahun 1980 dengan tujuan menghindari kecenderungan perancangan prosesor yang perangkat instruksinya semakin kompleks sehingga memerlukan perancangan rangkaian kontrol yang semakin rumit dari waktu ke waktu. Hipotesis yang diajukan adalah bahwa implementasi instruksi yang kompleks ke dalam perangkat instruksi prosesor justru berdampak negatif pemakaian instruksi tersebut dalam kebanyakan program hasil komplikasi (Heudin, 1992 : 22). Apalagi, instruksi kompleks itu pada dasarnya dapat disusun dari instruksi-instruksi sederhana yang telah dimiliki.

Rancangan prosesor RISC-1 ditujukan untuk mendukung bahasa C, yang dipilih karena popularitasnya dan banyaknya pengguna. Realisasi rancangan diselesaikan oleh kelompok Patterson dalam waktu 6 bulan. Fabrikasi dilakukan oleh MOVIS dan XEROX dengan menggunakan teknologi silikon NMOS (N-channel Metal-oxide Semiconductor) 2 mikron. Hasilnya adalah sebuah chip rangkaian terpadu dengan 44.500 buah transistor (Heudin, 1992 : 230). Chip RISC-1 selesai dibuat pada musim panas dengan kecepatan eksekusi 2 mikrosekon per instruksi (pada frekuensi detak 1,5 MHz), 4 kali lebih lambat dari kecepatan yang ditargetkan. Tidak tercapainya target itu disebabkan terjadinya sedikit kesalahan perancangan, meskipun kemudian dapat diatasi dengan memodifikasi rancangan assemblernya. Berdasarkan hasil evaluasi, meskipun hanya bekerja pada frekuensi detak 1,5 MHz dan mengandung kesalahan perancangan, RISC-1 terbukti mampu mengeksekusi program bahasa C lebih cepat dari beberapa prosesor CISC, yakni MC68000, Z8002, VAX-11/780, dan PDP-11/70. Hampir bersamaan dengan proses fabrikasi RISC-1, tim Berkeley lain mulai bekerja untuk merancang RISC-2. Chip yang dihasilkan tidak lagi mengandung kesalahan sehingga mencapai kecepatan operasi yang ditargetkan, 330 nanosekon tiap instruksi (Heudin, 1992 : 27-28).

RISC-2 hanya memerlukan luas chip 25% dari yang dibutuhkan RISC-1 dengan 75% lebih banyak register. Meskipun perangkat instruksi yang ditanamkan sama dengan perangkat instruksi yang dimiliki RISC-1, tetapi di antara keduanya terdapat perbedaan mikroarsitektur perangkat kerasnya. RISC-2 memiliki 138 buah register yang disusun sebagai 8 jendela register, dibandingkan dengan 78 buah register yang disusun sebagai 6 jendela register. Selain itu, juga terdapat perbedaan dalam hal organisasi alur-pipa (pipeline) . RISC-1 memiliki alur-pipa dua tingkat sederhana dengan penjeputan (fetch) dan eksekusi instruksi yang dibuat tumpang-tindih, sedangkan RISC-2 memiliki 3 buah alur-pipa yang masing-masing untuk penjemputan instruksi, pembacaan operan dan eksekusinya, dan penulisan kembali hasilnya ke dalam register. Sukses kedua proyek memacu tim Berkeley untuk mengerjakan proyek SOAR (Smalltalk on RISC) yang dimulai pada tahun 1983.

c.       Prosesor RISC Stanford

Sementara proyek RISC-1 dan RISC-2 dilakukan kelompok Patterson di Universitas California, pada tahun 1981 itu juga John Hennessy dari Universitas Stanford mengerjakan proyek MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages). Pengalaman riset tentang optimasi kompilator digabungkan dengan teknologi perangkat keras RISC merupakan kunci utama proyek MIPS ini. Tujuan utamanya adalah menghasilkan chip mikroprosesor serbaguna 32-bit yang dirancang untuk mengeksekusi secara efisien kode-kode hasil kompilasi (Heudin, 1992: 34). Perangkat instruksi prosesor MIPS terdiri atas 31 buah instruksi yang dibagi menjadi 4 kelompok, yakni kelompok instruksi isi dan simpan, kelompok instruksi operasi aritmetika dan logika, kelompok instruksi pengontrol, dan kelompok instruksi lain-lain. MIPS menggunakan lima tingkat alur-pipa tanpa perangkat keras saling-kunci antar alur-pipa tersebut, sehingga kode yang dieksekusi harus benar-benar bebas dari konflik antar alur-pipa.

d.      Chip-chip RISC galium Arsenida

Galium Arsenida dapat digunakan untuk menggantikan silikon dalam beberapa rangkaian terpadu untuk pemakaian khusus. Keunggulan bahan GaAs dibandingkan silikon adalah ketahanannya terhadap radiasi, dan ketahanannya terhadap panas, serta kecepatan mobilitas elektronnya. Karena elektron dapat bergerak lebih cepat dalam bahan GaAs, maka chip yang dibuat dengan bahan ini berpotensi untuk bekerja lebih cepat (Jonhsen, 1984 : 46; Robinson, 1990 : 251-254). Salah satu kendala pengembangan chip berbahan GaAs adalah sulitnya penanganan bahan ini dibanding dengan bahan silikon karena perancang belum banyak pengalaman dengan bahan GaAs. Meskipun demikian, teknologi yang dikuasai saat ini telah memungkinkan untuk membuat rangkaian terintegrasi dengan tingkat kerapatan cukup tinggi untuk merancang prosesor RISC. Didorong oleh kebutuhan untuk merancang prosesor berkecepatan tinggi dan tahan terhadap radiasi sesuai dengan spesifikasi yang dibutuhkan Departemen Pertahanan Amerika Serikat, maka DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) memberikan dana kepada Texas Instruments (TI), RCA, dan McDonnell-Douglas, untuk mengembangkan dan merancang prosesor RISC dari bahan GaAs. Agar memiliki kinerja yang tinggi, DARPA menghendaki unit prosesor sentral (central processing unit, CPU) dirancang dalam chip tunggal, seperti prosesor MIPS yang pengembangannya juga dibiayai DARPA. Ditargetkan prosesor tersebut akan dapat dijalankan dengan detak berfrekuensi 200 MHz. Ini berarti target kecepatan kerjanya adalah 200 MIPS (million instructions per second, juta instruksi per detik), karena pada prosesor RISC satu instruksi dieksekusi dalam satu siklus detak.

Sistem yang dipilih terdiri dari seperangkat chip, yakni, CPU, FCOP (floating point coprocessor) , MMU (memory management unit) dan chace. Agar bisa merealisasi CPU dalam satu chip, TI berupaya mengurangi rangkaian pengontrol sebanyak mungkin untuk memberi lebih banyak tempat bagi register-register.

4.      Prospek Arsitektur RISC di Masa Mendatang

Perkembangan menarik terjadi pada tahun 1993 ketika aliansi tiga perusahaan terkemuka, IBM, Apple, dan Motorola memperkenalkan produk baru mereka yakni PowerPC 601, suatu mikroprosesor RISC 64-bit yang dirancang untuk stasiun kerja (workstation) atau komputer personal (Thompson, 1993 : 56-74). Menarik, karena kemunculan PowerPC 601 dimaksudkan untuk memberikan alternatif bagi dominasi prosesor CISC keluarga-86 Intel dalam komputer rumahan. Popularitas prosesor keluarga-86 didukung oleh harganya yang murah dan banyaknya program aplikasi yang dapat dijalankan dengan prosesor ini. Untuk itu, prosesor PowerPC dijual dengan harga yang cukup bersaing dibandingkan dengan pentium, yakni prosesor buatan Intel mutakhir saat itu (Thompson, 1993: 64). Perkembangan teknologi emulasi yang memungkinkan prosesor RISC menjalankan sistem operasi yang sama dengan prosesor CISC keluarga-86 diperkirakan akan membuat prosesor RISC, terutama PowerPC 601, banyak digunakan di dalam komputer-komputer personal (Halfhill, 1994 : 119-130).

B.     SUPERSCALAR

Superscalar adalah sebuah uniprocessor yang dapat mengeksekusi dua atau lebih operasi scalar dalm bentuk paralel. Merupakan salah satu rancangan untuk meningkatkan kecepatan CPU. Kebanyakan dari komputer saat ini menggunakan mekanisme superscalar ini. Standar pipeline yang digunakan adalah untuk pengolahan bilangan matematika integer (bilangan bulat, bilangan yang tidak memiliki pecahan), kebanyakan CPU juga memiliki kemampuan untuk pengolahan untuk data floating point (bilangan berkoma). Pipeline yang mengolah integer dapat juga digunakan untuk mengolah data bertipe floating point ini, namun untuk aplikasi tertentu, terutama untuk aplikasi keperluan ilmiah CPU yang memiliki kemampuan pengolahan floating point dapat meningkatkan kecepatan prosesnya secara dramatis. Peristiwa menarik yang bisa dilakukan dengan metoda superscalar ini adalah dalam hal memperkirakan pencabangan instruksi (brach prediction) serta perkiraan eksekusi perintah (speculative execution). Peristiwa ini sangat menguntungkan buat program yang membutuhkan pencabangan dari kelompok intruksi yang dijalankankannya.

Program yang terdiri dari kelompok perintah bercabang ini sering digunakan dalam pemrograman. Contohnya dalam menentukan aktifitas yang dilakukan oleh suatu sistem berdasarkan umur seseorang yang sedang diolahnya, katakanlah jika umur yang bersangkutan lebih dari 18 tahun, maka akan diberlakukan instruksi yang berhubungan dengan umur tersebut, anggaplah seseorang tersebut dianggap telah dewasa, sedangkan untuk kondisi lainnya dianggap belum dewasa. Tentu perlakuannya akan dibedakan sesuai dengan sistem yang sedang dijalankan.

Komputer akan membandingkan nilai umur data yang diperolehnya dengan 18 tahun sehingga komputer dapat menentukan langkah dan sikap yang harus diambilnya berdasarkan hasil perbandingan tersebut. Sikap yang diambil tentu akan diambil berdasarkan pencabangan yang ada. Pada CPU yang mendukung perintah pencabangan ini, CPU membutuhkan lumayan banyak clock cycle, mengingat CPU menempatkan semuanya pada pipeline dan menemukan perintah berikutnya yang akan dieksekusinya. Sirkuit untuk branch prediction melakukan pekerjaan ini bekerja sama dengan pipeline, yang dilakukan sebelum proses di ALU dilaksanakan, dan memperkirakan hasil dari pencabangan tersebut. Jika CPU berfikir bahwa branch akan menuju suatu cabang, biasanya berdasarkan pekerjaan sebelumnya, maka perintah berikutnya sudah dipersiapkan untuk dieksekusi berikut data-datanya, bahkan dengan adanya pipeline ini, bila tidak diperlukan suatu referensi dari instruksi terakhir, maka bisa dilaksanakan dengan segera, karena data dan instruksi yang dibutuhkan telah dipersiapkan sebelumnya.

Dalam hal speculative execution, artinya CPU akan menggunakan melakukan perhitungan pada pipeline yang berbeda berdasarkan kemungkinan yang diperkirakan oleh komputer. Jika kemungkinan yang dilakukan oleh komputer tepat, maka hasilnya sudah bisa diambil langsung dan tinggal melanjutkan perintah berikutnya, sedangkan jika kemungkinan yang diperkirakan oleh komputer tidak tepat, maka akan dilaksanakan kemungkinan lain sesuai dengan logika instruksi tersebut. Teknik yang digunakan untuk pipeline dan superscalar ini bisa melaksanakan branch prediction dan speculative execution tentunya membutuhkan ekstra transistor yang tidak sedikit untuk hal tersebut. Sebagai perbandingan, komputer yang membangkitkan pemrosesan pada PC pertama yang dikeluarkan oleh IBM pada mesin 8088 memiliki sekitar 29.000 transistor. Sedangkan pada mesin Pentium III, dengan teknologi superscalar dan superpipeline, mendukung branch prediction, speculative execution serta berbagai kemampuan lainnya memiliki sekitar 7,5 juta transistor.