Arsitektur CPU multi-inti dan sistem multiprosesor

Informatec Digital » Sumber Daya » Arsitektur CPU multi-inti dan sistem multiprosesor

Jika Anda membuka hampir semua komputer desktop, laptop, atau bahkan ponsel pintar saat ini, Anda akan menemukan prosesor multi-core yang dirancang untuk bekerja secara paralel . Meskipun kita telah hidup dengan teknologi ini selama bertahun-tahun, masih ada kebingungan yang cukup besar tentang apa artinya memiliki banyak core, bagaimana perbedaannya dengan memiliki banyak prosesor fisik, dan bagaimana semua ini sesuai dengan konsep seperti HyperThreading, SMT, atau GPU.

Untuk menghilangkan semua kebingungan ini, mari kita tinjau, dengan tenang namun langsung, arsitektur CPU multi-core , peran setiap komponen, dan bagaimana komponen tersebut dimanfaatkan oleh sistem operasi dan perangkat lunak . Kita juga akan meneliti perbedaan nyata antara sistem multi-core dan multi-prosesor, membahas konsumsi daya dan pembuangan panas, dan diakhiri dengan melihat peran GPU dan chip yang khusus untuk tugas-tugas seperti AI dan pengeditan video.

Fungsi dasar CPU dalam komputer

Prosesor, yang terkenal dengan sebutan CPU atau Central Processing Unit , adalah sirkuit elektronik yang menerjemahkan dan mengeksekusi instruksi program . Prosesor ini dibangun dari jutaan atau miliaran transistor, yang tersusun dalam gerbang logika dan jalur internal tempat sinyal listrik yang mewakili data dan perintah beredar.

Justru CPU inilah yang memungkinkan komputer berubah dari sekadar tumpukan chip dan kabel menjadi mesin yang mampu mengubah sinyal listrik menjadi operasi data dan, dalam banyak kasus, menjadi tindakan fisik di dunia nyata . Tanpa prosesor, PC, konsol game, telepon seluler, atau bahkan peralatan "pintar" tidak akan lebih dari sekadar hiasan mahal.

Saat Anda menjalankan aplikasi perkantoran, mengkompilasi kode, merender video, atau sekadar menjelajahi internet, CPU Anda terus-menerus membaca instruksi, memindahkan data antara memori, register, dan periferal, serta mengoordinasikan kerja bagian sistem lainnya . Pengaturan operasi ini diukur dalam hertz (Hz), yang menunjukkan berapa banyak siklus clock per detik yang dapat diselesaikan oleh prosesor.

Selama bertahun-tahun, industri ini terutama berfokus pada frekuensi: perlombaan untuk mencapai dan melampaui gigahertz menghasilkan arsitektur seperti NetBurst milik Intel, yang dirancang untuk skalabilitas dalam GHz . Namun kemudian mereka menemui jalan buntu: setiap peningkatan frekuensi mendorong konsumsi daya dan suhu ke tingkat yang sulit dikendalikan dengan pendingin konvensional.

Sebenarnya apa itu inti prosesor?

Di dalam paket CPU modern, tidak terdapat satu unit komputasi monolitik tunggal, melainkan beberapa blok yang berulang: setiap inti pada dasarnya adalah CPU lengkap yang terintegrasi dalam chip yang sama . Kombinasi dari semua inti ini, cache-nya, dan bus internalnya adalah apa yang biasa kita sebut arsitektur prosesor.

Di pasar PC konsumen, arsitektur yang dominan adalah x86 dan ekstensi 64-bit-nya. Arsitektur ini mendefinisikan set instruksi, register, mode pengalamatan, dan perilaku keseluruhan inti prosesor . Prosesor dengan 2, 4, 8, 16, atau lebih inti dibangun di atasnya, semuanya mampu mengeksekusi jenis kode mesin yang sama.

Jika kita melihat detailnya, kita akan melihat bahwa setiap inti terdiri dari beberapa blok kunci yang bekerja sama untuk mengeksekusi instruksi dengan cepat dan teratur . Meskipun implementasi spesifiknya bervariasi tergantung pada produsen dan generasinya, elemen-elemen dasarnya sangat mirip.

Inti sistem yang umum mencakup, antara lain, komponen-komponen berikut:

• Unit kontrol (UC): bertanggung jawab atas Mengarahkan alur instruksi dan mengkoordinasikan secara sinkron kerja kernel serta komunikasinya dengan memori dan periferal.Alat ini menghasilkan sinyal kontrol yang menunjukkan apa yang harus dibaca, ditulis, atau didekode dalam setiap siklus.
• Unit aritmatika-logis (ALU): adalah bagian yang Ia melakukan operasi aritmatika (penjumlahan, pengurangan, pergeseran) dan operasi logika (AND, OR, XOR, perbandingan) pada data yang diterimanya.Biasanya terdapat beberapa ALU untuk memparalelkan operasi mikro.
• RekamanIni adalah sel-sel kecil dengan memori ultra cepat. tempat data, alamat, dan hasil sementara dari instruksi yang sedang dieksekusi disimpan sementara.Mereka bertindak sebagai "kelompok kerja" langsung dari inti organisasi.

Di sekeliling elemen-elemen ini juga terdapat cache pada berbagai tingkatan (L1, L2, terkadang L3 bersama), antrian instruksi, logika prediksi percabangan, dan unit yang khusus menangani operasi floating-point atau vektor . Semua ini digabungkan untuk memproses aliran instruksi yang berkelanjutan dengan efisiensi setinggi mungkin.

Mengapa kita beralih dari meningkatkan GHz ke menambahkan lebih banyak inti prosesor?

Pada masa-masa awal komputasi pribadi, cara paling sederhana untuk meningkatkan daya komputasi adalah dengan meningkatkan kecepatan clock: semakin banyak siklus clock per detik, semakin banyak instruksi yang dapat diselesaikan, asalkan arsitekturnya memungkinkan . Tercapainya prosesor 1 GHz pertama merupakan tonggak penting bagi server dan PC rumahan.

Chip komersial pertama yang mencapai gigahertz adalah DEC Alpha pada awal tahun 90-an, sebuah prosesor yang dirancang untuk workstation dan server . Di pasar domestik, sekitar tahun 1999, Intel dengan Pentium III dan AMD dengan Athlon juga mencapai batas GHz, dan untuk sementara pemasaran berfokus pada "semakin tinggi GHz, semakin baik."

Namun, setelah mencapai titik tertentu, para produsen menemukan bahwa peningkatan frekuensi lebih lanjut secara dramatis meningkatkan produksi panas dan konsumsi energi . Inti prosesor mengalami tekanan termal yang sangat besar, dan sistem pendingin yang dibutuhkan menjadi tidak praktis bagi pengguna rata-rata.

Dalam konteks tersebut, perubahan strategi pun muncul: jika peningkatan kecepatan dalam MHz dan GHz menjadi semakin tidak layak, alternatif logisnya adalah memperkenalkan beberapa inti yang mampu bekerja secara bersamaan pada tugas yang berbeda . Alih-alih satu inti pada 10 GHz, industri mengalihkan fokusnya untuk menawarkan dua, empat, delapan, atau lebih inti yang beroperasi pada frekuensi yang lebih rendah.

Ide dasarnya relatif sederhana: jika satu inti prosesor mampu memproses sejumlah instruksi per satuan waktu, beberapa inti prosesor dapat mendistribusikan beban kerja dan meningkatkan kinerja keseluruhan, terutama jika perangkat lunak dirancang untuk berjalan secara paralel . Itulah dasar dari arsitektur multi-inti modern.

Prosesor multi-core pertama dan evolusinya

Meskipun pengguna rumahan mulai mendengar tentang prosesor dual-core sekitar pertengahan tahun 2000-an, prosesor multi-core pertama sudah digunakan di lingkungan server dan sistem besar . Seperti yang sering terjadi, teknologi ini pertama kali menyebar dari dunia korporasi.

Salah satu tonggak penting awal adalah IBM POWER4, yang dianggap sebagai prosesor komersial pertama dengan dua inti yang terintegrasi dalam satu chip . Prosesor ini muncul sekitar tahun 2000-2001 dengan frekuensi sekitar 1,1 GHz dan ditujukan untuk server kelas atas.

Di pasar konsumen, lompatan itu terjadi agak terlambat. Pada tahun 2005, Intel meluncurkan Pentium Extreme Edition 840, prosesor desktop dual-core yang juga menggabungkan HyperThreading , memungkinkan sistem operasi untuk melihat empat prosesor logis. Tak lama kemudian, AMD merespons dengan Athlon X2.

Sementara itu, jalur lain dieksplorasi: sistem multiprosesor, di mana sebuah motherboard menampung dua atau lebih CPU fisik lengkap . Opsi ini menawarkan kinerja tinggi, tetapi dengan biaya kompleksitas, konsumsi daya, dan harga, sehingga sebagian besar tetap digunakan untuk server dan workstation berkinerja tinggi.

Seiring waktu, dan berkat miniaturisasi transistor, dimungkinkan untuk mengintegrasikan semakin banyak inti ke dalam satu sirkuit terpadu, mengurangi ukuran dan konsumsi daya per unit kinerja . Proses manufaktur sekitar 7 nm atau bahkan lebih kecil telah memungkinkan pengenalan prosesor-prosesor super canggih dengan hingga 32 atau 64 inti ke pasar profesional.

Multicore versus multiprosesor: apakah keduanya sama?

Secara konseptual, sistem multi-core dan sistem multi-prosesor sangat mirip: dalam kedua kasus tersebut terdapat beberapa "otak komputasi" yang mampu mengeksekusi thread secara bersamaan . Itulah mengapa banyak penjelasan (seperti yang Anda sebutkan dari Superuser) meringkas perbedaan tersebut terutama sebagai perbedaan fisik dan ekonomi.

Dalam sistem multiprosesor klasik , Anda memiliki beberapa CPU fisik yang terpasang di soket berbeda pada motherboard, masing-masing dengan inti, cache, dan pengontrolnya sendiri . Namun, dalam chip multi-inti modern, semua inti tersebut berada dalam satu paket yang sama dan berbagi beberapa sirkuit, seperti cache atau akses memori tertentu.

Apa artinya ini dalam praktiknya? Artinya, sistem multi-core biasanya lebih efisien dalam hal biaya, ruang, dan konsumsi daya daripada menggunakan beberapa prosesor fisik terpisah untuk mencapai jumlah core yang serupa . Logika koherensi cache dan bus internal jauh lebih terintegrasi dan dioptimalkan.

Namun, dari perspektif sistem operasi dan sebagian besar aplikasi, kernel hanyalah unit eksekusi yang mampu menjalankan thread, terlepas dari apakah kernel tersebut berada pada chip yang sama dengan kernel lain atau pada CPU terpisah . Itulah mengapa banyak deskripsi menyederhanakan dan mengatakan bahwa multi-core dan multiprosesor "melakukan hal yang sama."

Bagan perbandingan di beberapa situs web (seperti yang Anda tautkan dari GeeksforGeeks atau Javatpoint) terkadang melebih-lebihkan perbedaannya, bahkan sampai mengklaim hal-hal seperti "sistem multi-core hanya bagus untuk menjalankan satu program cepat, dan multi-prosesor diperlukan untuk banyak program ," yang tidak benar. Kedua jenis sistem dapat menjalankan banyak proses dan banyak thread; perbedaan sebenarnya terletak pada bagaimana implementasi fisiknya ditangani dan pada nuansa koherensi memori, latensi, dan skalabilitas.

Apa yang dibutuhkan untuk benar-benar memanfaatkan banyak inti prosesor?

Menempatkan banyak inti pada silikon hanyalah setengah dari cerita. Untuk mendapatkan hasil maksimal darinya, sistem operasi dan, yang terpenting, aplikasi perlu dirancang untuk memparalelkan beban kerja mereka di beberapa thread . Untuk sementara waktu, ini adalah hambatan utama dalam lompatan ke prosesor multi-inti.

Sistem operasi modern (Windows, Linux, macOS, dll.) sepenuhnya multiproses dan mampu mendistribusikan proses dan thread di antara berbagai inti fisik dan logis yang tersedia . Penjadwal bertanggung jawab untuk memutuskan thread mana yang berjalan pada inti mana dan berapa lama.

Masalah historisnya bukanlah pada sistem operasinya, melainkan pada perangkat lunak pengguna. Banyak program lama ditulis dengan mempertimbangkan satu thread eksekusi saja, jadi meskipun komputer memiliki 4 atau 8 core, aplikasi tertentu hanya akan memanfaatkan satu core secara maksimal . Dalam kasus tersebut, menambahkan lebih banyak core hampir tidak meningkatkan kinerja tugas spesifik tersebut.

Seiring waktu, didorong oleh kebutuhan (penyuntingan video, desain 3D, simulasi, server basis data, dll.), para pengembang mulai merancang aplikasi dengan dukungan multi-core sejati, membagi pekerjaan menjadi thread yang mampu berjalan secara paralel . Dalam konteks inilah konsep thread proses, subproses, atau thread menjadi menonjol.

Saat ini, program desain profesional, rendering, pengeditan video, atau CAD biasanya memiliki skalabilitas yang sangat baik seiring dengan jumlah core dan thread , sementara banyak gim video masih lebih terbatas oleh satu atau beberapa thread berat (meskipun juga telah ada kemajuan yang cukup besar dalam paralelisme dalam gim).

HyperThreading, SMT, dan thread logis

Selain meningkatkan jumlah inti fisik, para produsen memperkenalkan ide menarik lainnya: memungkinkan setiap inti fisik untuk menangani lebih dari satu thread secara bersamaan melalui simultaneous multithreading . Di Intel, ini dikenal sebagai HyperThreading; di AMD, biasanya disebut sebagai SMT (Simultaneous Multi-Threading).

Dasar dari teknik ini adalah bahwa di dalam sebuah kernel terdapat banyak unit eksekusi yang tidak selalu terisi 100% . Jika Anda hanya mengelola satu thread, ada kalanya kernel menunggu data dari memori atau hasil dari blok internal lain, sehingga membuang potensi yang ada.

Multithreading simultan memungkinkan dua (atau lebih) thread logis untuk berbagi inti fisik yang sama dan sumber daya internalnya, mengisi celah dalam alur eksekusi . Bagi sistem operasi, tampaknya ada lebih banyak "prosesor" yang tersedia, tetapi pada kenyataannya, yang telah dilakukan adalah memanfaatkan perangkat keras yang ada dengan lebih baik.

Sebagai contoh, prosesor quad-core dengan HyperThreading yang diaktifkan akan dilihat oleh sistem sebagai delapan prosesor logis, yang sangat membantu dalam skenario dengan banyak tugas ringan atau penundaan memori yang signifikan . Intel menawarkan teknologi ini di banyak lini produk Core dan Xeon-nya, sementara AMD menggunakannya di prosesor Ryzen dan EPYC di bawah payung SMT.

Penting: Thread logis tidak menawarkan kinerja yang sama dengan core fisik tambahan, tetapi memberikan peningkatan yang nyata pada jenis beban kerja tertentu . Inilah mengapa kita menyebut "core nyata" versus "prosesor logis" ketika melihat Pengelola Tugas Windows atau alat pemantauan lainnya.

Cara mengetahui berapa banyak core dan thread yang dimiliki CPU Anda

Pada sistem Windows, jika Anda membuka Task Manager dan pergi ke tab Performance, Anda akan melihat bagian khusus untuk CPU . Di sana Anda akan menemukan informasi tentang jumlah core fisik dan jumlah prosesor logis (thread) yang tersedia.

Penting untuk dicatat bahwa beberapa utilitas sistem atau alat klasik tidak selalu membedakan antara inti fisik dan thread logis dan mungkin menyebut keduanya hanya sebagai "prosesor ". Itulah mengapa prosesor 6 inti dengan SMT diaktifkan sering muncul sebagai 12 "CPU" dalam daftar tertentu.

Pada sistem operasi lain, situasinya serupa: Linux menawarkan perintah seperti lscpu atau cat /proc/cpuinfo untuk melihat rincian inti dan thread fisik , dan di macOS Anda dapat memeriksa informasi sistem atau menggunakan alat baris perintah.

Perbedaan antara core dan thread ini relevan untuk memahami apa yang Anda beli atau apa yang dapat Anda harapkan dari komputer Anda: prosesor dengan 4 core dan 8 thread tidak sama dengan prosesor dengan 8 core dan 8 thread, meskipun keduanya diiklankan sebagai "8 thread ". Prosesor yang terakhir umumnya memiliki daya mentah yang lebih besar untuk beban kerja paralel yang tinggi.

GPU, mikroprosesor, dan komponen terkait lainnya

Meskipun ketika kita memikirkan arsitektur multi-core kita biasanya fokus pada CPU, ada prosesor khusus lain yang juga bekerja dengan puluhan atau ribuan core untuk mempercepat tugas-tugas tertentu . Contoh yang paling terkenal adalah GPU.

Unit pemrosesan grafis (GPU) adalah jenis prosesor yang dirancang untuk mengeksekusi sejumlah besar operasi sederhana secara paralel . Awalnya dikembangkan untuk mempercepat rendering grafis pada PC, konsol, dan perangkat seluler, tetapi saat ini digunakan secara luas dalam AI, penambangan mata uang kripto, dan komputasi ilmiah.

Seperti CPU, GPU terdiri dari transistor dan blok logika, tetapi arsitektur internalnya dioptimalkan untuk paralelisme masif, dengan banyak inti kecil yang diorganisir menjadi kelompok-kelompok yang mampu memproses volume data yang besar secara sangat konsisten . Itulah mengapa GPU unggul dalam grafis dan jaringan saraf.

Dalam ranah CPU tradisional, miniaturisasi telah menghasilkan mikroprosesor: CPU lengkap yang terintegrasi ke dalam satu chip sirkuit terpadu, dengan satu atau lebih inti fisik . Saat ini, hampir semua CPU konsumen adalah mikroprosesor multi-inti.

Pada mikroprosesor ini, setiap inti fisik bergantung pada ekosistem cache, bus internal, dan pengontrol memori serta input/output, semuanya dikemas dalam ruang yang sangat kecil . Hal ini memungkinkan perakitan sistem yang sangat canggih pada motherboard yang ringkas, yang merupakan kunci untuk laptop, mini PC, dan perangkat tertanam.

Konsumsi energi, panas, dan desain pusat data

Konsumsi daya adalah salah satu faktor yang paling memengaruhi evolusi CPU multi-core. Semakin banyak core yang kita tambahkan dan semakin tinggi kecepatan clock, semakin banyak daya yang terbuang sebagai panas . Panas ini harus dihilangkan secara fisik dari chip untuk mencegahnya rusak.

Pada PC rumahan, ini berarti penggunaan heatsink yang lebih besar, kipas yang lebih bertenaga, atau bahkan sistem pendingin cair . Di pusat data, tempat ribuan server bekerja dengan kapasitas penuh, persamaannya menjadi sangat penting: biaya pendinginan bisa sangat besar.

Oleh karena itu, penyedia layanan cloud utama dan pusat data hyperscale merancang infrastruktur dengan kontrol iklim yang direncanakan dengan cermat, lorong panas dan dingin, dan, dalam beberapa kasus, pendinginan cairan langsung pada komponen . Pada akhirnya, setiap watt yang dihemat per prosesor akan dikalikan di ribuan mesin.

Di rumah, keberlanjutan juga berperan: komputer yang sangat canggih dapat mengonsumsi banyak energi jika terus-menerus berada di bawah beban berat . Ini dapat diterima untuk tugas-tugas berat sesekali, tetapi tidak masuk akal jika Anda hanya akan menjelajahi internet, menonton video, dan melakukan pekerjaan kantor dasar.

Itulah mengapa para produsen semakin fokus pada efisiensi: arsitektur hibrida dengan inti berkinerja tinggi dan inti berefisiensi tinggi, penskalaan frekuensi dan tegangan dinamis, serta mode tidur nyenyak membantu mengurangi konsumsi daya ketika daya penuh tidak dibutuhkan.

Chip khusus dan peran AI

Ledakan kecerdasan buatan baru-baru ini telah menyebabkan munculnya prosesor dan akselerator yang dirancang khusus untuk beban kerja pembelajaran mesin dan jaringan saraf . Di sini, kita tidak lagi hanya berbicara tentang CPU dan GPU, tetapi juga unit seperti Tensor Processing Unit (TPU) atau Tensor Streaming Processor (TSP).

Chip-chip ini berfokus pada penyediaan kinerja luar biasa dalam operasi matriks dan vektor, yang lazim dalam pelatihan dan inferensi model AI . Biasanya, chip ini mencakup ratusan atau ribuan unit komputasi sederhana namun sangat terorganisir untuk memaksimalkan paralelisme data.

Dalam ranah CPU serbaguna, terdapat juga model yang dirancang khusus untuk beban kerja ini. Misalnya, prosesor dengan puluhan inti, seperti prosesor AMD Threadripper tertentu atau model Intel Core dan Intel Xeon kelas atas, sangat dihargai untuk pengeditan video, rendering, dan tugas-tugas campuran AI dan kreatif.

Tergantung pada bagaimana Anda bermaksud menggunakan komputer, ada baiknya memprioritaskan fitur-fitur tertentu daripada yang lain: untuk pengeditan video profesional, Anda akan membutuhkan banyak inti CPU dan GPU yang bagus; untuk bermain game, latensi dan kinerja per inti sangat penting; dan untuk tugas-tugas umum, hampir semua CPU kelas menengah modern akan mencukupi.

Semua ini berjalan beriringan dengan kemajuan konstan dalam kepadatan transistor: setiap generasi baru proses manufaktur memungkinkan lebih banyak logika untuk dikemas dalam ruang yang sama atau mengurangi konsumsi daya untuk kinerja yang serupa . Ini menjelaskan mengapa kita melihat CPU terbaru yang jauh melampaui model dari beberapa tahun yang lalu baik dalam hal kinerja maupun efisiensi.

Transistor: fondasi dari keseluruhan arsitektur ini

Di balik semua jargon tentang core, thread, cache, dan GPU, terdapat komponen sederhana namun fundamental: transistor, perangkat semikonduktor kecil yang mengontrol aliran arus dalam suatu rangkaian . Namanya berasal dari "transfer resistor" (resistor transfer).

Dalam komputasi, transistor digunakan untuk membangun gerbang logika, register, memori, dan semua jenis blok digital. Transistor bertanggung jawab untuk mengimplementasikan secara fisik bahasa biner 0 dan 1 yang digunakan komputer untuk merepresentasikan informasi dan logika Boolean.

Evolusi elektronika modern dapat diringkas sebagai perlombaan untuk memasukkan semakin banyak transistor ke dalam ruang yang semakin kecil, sekaligus mengurangi konsumsi daya per transistor . Itulah esensi dari generasi proses manufaktur yang berurutan: dari mikrometer (µm) ke nanometer (nm) dan skalanya terus menyusut.

Pada CPU multi-core modern, miliaran sakelar elektronik kecil ini bekerja dengan kecepatan penuh. Keandalan, ukuran, dan efisiensinya pada akhirnya menentukan kinerja dan batasan dari arsitektur prosesor apa pun.

Jika kita memikirkannya dari perspektif yang lebih luas, semua keajaiban menjalankan banyak thread, mengoordinasikan banyak core, berbagi cache, atau memindahkan data antara CPU, GPU, dan akselerator khusus tidak lebih dari sebuah koreografi raksasa dari transistor yang menyala dan mati mengikuti pola yang sangat terdefinisi dengan baik.

Setelah mempertimbangkan semua hal di atas, kita dapat memperoleh gambaran yang jauh lebih jelas tentang apa yang sebenarnya ada di balik "prosesor multi-core" di luar sekadar jumlah core. Jumlah core dan frekuensinya memang penting, tetapi begitu pula arsitektur internal, dukungan untuk teknologi seperti HyperThreading atau SMT, efisiensi energi, desain perangkat lunak yang memanfaatkannya, dan bagaimana cara kerjanya dengan prosesor lain seperti GPU . Memahami komponen-komponen ini memungkinkan Anda untuk memilih perangkat keras Anda secara lebih efektif dan, yang terpenting, untuk menempatkan dalam konteks apa arti sebenarnya dari spesifikasi yang Anda lihat dalam lembar data teknis.