Cara CPU Bekerja

Central Processing Unit (CPU): otak yang ada didalam sebuah PC yang memproses data serta unit yang menentukan kekuatan dan harga dari sebuah komputer.

Dalam setahun ke belakang, kecepatan CPU meningkat drastis dari 600 MHz menjadi 1 GHz, dan baru-baru ini Intel mengumumkan telah mengapalkan Pentium III 1,13 GHz. Pada akhir tahun ini diperkirakan kecepatan di atas 1,5 GHz akan terlampaui, menandakan perlombaan CPU tercepat telah dimulai. Ini ada sebuah tip: Kinerja CPU di PC Anda tidak hanya ditentukan oleh angka megahertz atau gigahertz yang banyak diiklankan perakit PC di majalah atau Internet. Dengan peningkatan kecepatan chip dan aplikasi yang membutuhkan tenaga yang lebih besar.


Yang Anda perlu ketahui:

· Sebuah CPU melakukan tiga tugas utama: Membaca data, memproses data, dan biasanya menulis data ke memori.
· Kecepatan kasar (raw speed) diukur dalam skala megahertz, tetapi bagian lainnya seperti desain arsitektur chip juga menentukan kinerja dari CPU tersebut.
· Chip yang Anda inginkan dalam PC Anda tergantung pada berapa banyak yang akan Anda keluarkan dan untuk apa Anda menggunakan PC tersebut.

Membangun Blok

Sebelum Anda mengerti bagaimana sebuah CPU bekerja, Anda perlu mengetahui bagaimana sebuah CPU dibuat. Sebuah CPU terdiri dari jutaan transistor mikroskopis yang melalui pemrosesan secara kimiawi dan photolithografis untuk menjadi sebuah cetakan silikon yang besarnya tidak lebih dari ibu jari Anda.

Transistor kecil mungil itu menyimpan pulsa elektrik yang memberikan nilai satu atau nol, yang membentuk sistem bahasa binari yang digunakan komputer untuk berkomunikasi. Grup transistor tersebut saling terhubungkan untuk menyimpan nilai-nilai; mereka juga melakukan kalkulasi logika dan matematika, dan dengan bantuan sebuah jam kristal kuartz, mereka melakukan fungsinya seperti layaknya pendayung perahu naga yang mendayung secara tersinkronisasi. Dengan kata lain, mereka dapat memproses data.

Proses Sebuah CPU

Sebuah CPU memproses informasi yang disimpan dalam bentuk byte di memori. Informasi tersebut dapat berupa data atau instruksi. Data adalah bentuk biner dari sebuah huruf, sebuah angka, atau sebuah warna. Sebuah instruksi memberitahu CPU apa yang harus dilakukan terhadap data tersebut, sebagai contoh: menambahkannya, membaginya, atau memindahkannya

CPU akan melakukan tiga operasi utama terhadap data tersebut: membacanya, memanipulasi (memproses) data tersebut, dan seringkali menuliskannya ke dalam memori. Pada tingkat yang lebih sederhana, CPU hanya memerlukan empat elemen untuk melakukan operasi terhadap datanya: instruksi, penunjuk instruksi, beberapa register, dan sebuah aritmethic logic unit.

Penunjuk instruksi akan memberitahu CPU dimana instruksi tersebut diletakkan di memori saat dibutuhkan untuk menjalankan aplikasi.

Register adalah tempat penyimpanan sementara di CPU. Sebuah register menyimpan sebuah data yang menunggu untuk diproses oleh sebuah instruksi, atau sebuah data yang telah diproses (misalkan, hasil dari penambahan dua angka sekaligus).

Unit logika aritmatika (arithmetic logic unit/ALU) berfungsi sebagai kalkulatornya CPU, bekerja dengan fungsi matematika dan logika yang diperintahkan oleh set instruksi.

CPU terdiri atas beberapa bagian tambahan yang membuat bagian dasar CPU bekerja sebagaimana mestinya:

· Fetch instruksi mengambil instruksi dari RAM atau bagian dari memori yang terletak di CPU.

· Dekoder instruksi mengambil instruksi dari fetch dan menerjemahkannya sehingga CPU mengerti. Dekoder ini menentukan langkah selanjutnya yang harus dilakukan untuk menyelesaikan instruksi tersebut.

· Unit kontrol akan mengatur dan mengkoordinasikan seluruh operasi chip. Unit ini akan memberitahu ALU kapan untuk melakukan kalkulasi, kemudian memberitahu fetch kapan untuk mengambil sebuah nilai, dan memberitahu dekoder kapan untuk menerjemahkan nilai tersebut menjadi sebuah instruksi.

Menjejak Sebuah Instruksi
Beginilah caranya CPU melakukan tugasnya: penunjuk instruksi mengarahkan fetch instruksi ke sebuah spot di memori yang menampung sebuah instruksi. Fetch kemudian menangkap instruksi tersebut dan memberikannya ke dekoder instruksi, kemudian mengamati instruksi tersebut dan menentukan langkah selanjutnya untuk melengkapi instruksi tersebut (sebuah instruksi dapat terdiri dari rangkaian langkah yang harus dilengkapi dalam urutan tertentu).

ALU kemudian mengerjakan perintah yang diminta instruksi: menambah data, membagi data, atau memanipulasi data yang ada. Setelah CPU menerjemahkan dan mengerjakan instruksi, unit kontrol memberitahukan fetch instruksi untuk menangkap instruksi berikutnya di memori. Proses ini berlangsung terus menerus--dari satu instruksi ke instruksi berikutnya, dalam suatu langkah yang rumit--untuk menciptakan hasil yang dapat Anda lihat di monitor. Itulah kerjanya sebuah program
seperti pengolah kata: sebuah seri instruksi-instruksi dan data-data.

Untuk meyakinkan semua itu berjalan dalam satu kesatuan waktu, bagian itu memerlukan suatu clock generator. Clock generator meregulasi setiap langkah yang dikerjakan CPU. Seperti sebuah metronome, sebuah clock generator mengirim pulsa-pulsa elektrik untuk menentukan langkah CPU. Pulsa tersebut diukur dalam jutaan langkah per detik, atau megahertz, yang Anda kenal sebagai ukuran kecepatan CPU. Semakin banyak pulsa dibuat, semakin cepat CPU bekerja. Dalam keadaan ideal, seharusnya sebuah CPU berkecepatan 700 MHz bekerja lebih cepat dibanding CPU 600 MHz, tetapi tambahan dan variasi pada basis CPU dapat membuat angka-angka tersebut tidak berarti.


Meningkatkan Basis CPU
Sebuah CPU hanya memerlukan sedikit bagian untuk melakukan tugasnya, tetapi desain dasar tersebut telah dimodifikasi selama bertahun-tahun untuk meningkatkan kinerja secara keseluruhan. Tujuan utama peningkatan tersebut sama: memproses data lebih cepat.

Sambil mencari cara untuk meningkatkan kecepatan pemrosesan, pembuat chip menyadari bahwa CPU tidak melakukan pemrosesan selama mereka melakukan fetching untuk sebuah instruksi atau data dari RAM sistem. Untuk mereduksi downtime tersebut, mereka menempatkan sebuah area penyimpanan, yang dikenal sebagai cache, dalam sebuah CPU. Data dan instruksi dapat ditempatkan sementara di CPU itu sendiri, mengurangi perjalanan data atau instruksi dari RAM.

Menambah ide penyediaan cache, pembuat sistem menempatkan RAM berkecepatan tinggi (dan mahal)--yang dikenal sebagai cache tingkat 2 atau L2 cache--antara cache CPU tingkat satu dan RAM sistem. Semakin dekat ke CPU berarti semakin pendek jarak yang harus ditempuh ke RAM sistem. Cache sekunderi ini sangat bermanfaat untuk meningkatkan kinerja sehingga semakin banyak prosesor yang mengintegrasinya ke dalam CPU-nya itu sendiri, menciptakan lebih banyak ruang untuk menyimpan data dan instruksi.

Lebih banyak ALU dan Sebuah FPU
Untuk meningkatkan kinerja kalkulasi, pembuat chip menempatkan sebuah unit aritmetik logika (arithmetic logic unit/ALU) di dalam CPU. Secara teoritis ini berarti pemrosesan dapat dilakukan dua kali lebih cepat dalam satu langkah. Menggunakan multiple ALU akan tampak seperti menambah tukang kayu lagi dalam membuat lemari dapur, yang berarti mempercepat penyelesaian pekerjaan.

Sebagai tambahan multiple ALU, Intel mengintegrasikan floating point unit ke dalam CPU. FPU ini menangani angka dari yang paling besar hingga yang paling kecil (yang memiliki banyak angka di belakang koma). Sementara FPU menangani kalkulasi semacam itu, ALU menjadi bebas untuk melakukan tugas lain dalam waktu yang bersamaan, untuk meningkatkan kinerja.

Advanced Micro Devices dan Intel juga menambah kecepatan pemrosesan instruksi dengan melakukan pipelining instruksi, atau menjalankan instruksi secara paralel satu dengan lainnya. Eksekusi dari sebuah instruksi memerlukan langkah yang terpisah--sebagai contoh, fetching dan dekoding sebuah instruksi. Sebenarnya CPU harus menyelesaikan sebuah instruksi secara keseluruhan sebelum melanjutkan ke instruksi berikutnya. Sekarang sirkuit yang berbeda menangani langkah yang terpisah tersebut.

Begitu sebuah instruksi telah selesai dalam satu langkah untuk dilanjutkan ke langkah berikutnya, transistor yang mengerjakan langkah pertama bebas untuk mengerjakan instruksi berikutnya, sehingga akan mempercepat kerja pemrosesan. Ini mirip dengan mendaki tangga: begitu kaki Anda meninggalkan sebuah anak tangga, orang yang di belakang Anda dapat menggunakannya untuk dinaiki.

Sebagai tambahan untuk meningkatkan kinerja adalah memprediksi cabang-cabang instruksi, yaitu memperkirakan lompatan yang akan dilakukan sebuah program dapat dilakukan; eksekusi secara spekulatif, yaitu mengeksekusi cabang instruksi yang ada di depat; dan penyelesaian tanpa mengikuti urutan, yakni kemampuan untuk menyelesaikan sebuah seri instruksi tidak berdasarkan urutan normal.

Perubahan-perubahan tersebut membuat peningkatan kecepatan clock, seperti lompatan hingga 1 GHz pada bulan Februari lalu, bukan lagi menjadi keutamaan kinerja. Tes yang dilakukan oleh majalah komputer PC World menunjukkan bahwa lompatan kecepatan bukan lagi menjadi hal utama dalam peningkatan kinerja, terutama pada aplikasi perkantoran, yang sangat tergantung pada kecepatan hard drive dan jumlah serta kecepatan RAM sistem.

CPU dalam PC Anda
Dua pemain mendominasi pasar CPU PC: Intel (www.intel.com), yang menguasai 80 persen pangsa pasar PC rumah dan bisnis, dan Advanced Micro Devices (www.amd.com). Kedua perusahaan tersebut membuat model untuk mesin-mesin high-end, midrange, dan low-end. Perusahaan lain juga memproduksi CPU, seperti Motorola PowerPC 750 (www.mot-sps.com), yang memberi tenaga untuk komputer-komputer Macintosh.

AMD Athlon dan Intel Pentium III saling berbagi pasar untuk CPU bertenaga lebih yang menjalankan sistem operasi Microsoft Windows. Keduanya hampir seimbang dalam desain dan performa, termasuk peningkatan kinerja untuk menjalankan software game 3D dan CAD (computer aided design).

CPU high-end dari Intel dan AMD banyak terdapat pada berbagai jenis PC, dari sistem rumahan kelas menengah (antara 600 hingga 850 MHz) hingga workstation rekayasa industri dan sistem multimedia high-end yang paling mahal (dari 866 MHz ke atas). Untuk model terbaru, PC dengan CPU ini harganya berkisar antara $200 hingga $1000.

Untuk kelas high-end, PC dengan chip 1 GHz akan berharga $2700 hingga $3300, tergantung pada komponen yang ditawarkan oleh perakit PC. Untuk sistem kelas menengah, yang menggunakan chip AMD atau Intel berkecepatan 600 hingga 850 MHz harganya sekitar $900 hingga $1600.

Chip berharga ekonomis (di bawah $150) biasanya berjalan dengan kecepatan clock lebih rendah dari Athlon dan P-III, cache yang lebih sedikit atau lebih lambat, dan memiliki peningkatan kinerja yang lebih kecil. AMD K6-III dan K6-2 serta Intel Celeron ditujukan untuk PC-PC dengan harga kurang dari $1000.

Komputer portabel biasanya tidak menawarkan CPU tercepat yang ada. Sebuah desain desktop dirancang untuk menahan panas yang lebih tinggi dibanding sebuah laptop, yang berarti laptop harus menggunakan CPU yang lebih lambat dan kurang bertenaga. Prosesor yang lebih cepat juga membutuhkan daya yang lebih besar juga, yang mengakibatkan umur pakai tenaga baterei juga berkurang. Saat ini, portabel tercepat yang tersedia di pasaran adalah 700 MHz, tapi tampaknya dengan desain yang baru, kecepatan tersebut akan segera bertambah.

Di Masa Depan
Pembuat CPU selalu mencari cara untuk meningkatkan performa. Baru-baru ini mereka telah mengganti sistem fabrikasi dari 0.25 mikron ke 0.18 mikron, yang memungkinkan celah yang lebih sempit dalam menempatkan transistor yang lebih kecil, sehingga memungkinkan kecepatan yang lebih tinggi dan panas yang lebih kecil untuk desain arsitektur yang sama. Tambahan lain, interkoneksi antar transistor menggunakan alumunium telah digantikan dengan tembaga, yang mengkonduksikan listrik lebih baik dibanding alumunium.

Tetapi perbaikan ini tidak berarti perlombaan penambahan kecepatan akan berakhir. Intel telah mengumumkan chip Willamette (alias Pentium-4), yang akan berjalan dengan kecepatan 1,5 GHz dan akan tersedia pada akhir tahun ini. Sementara kompetitornya, AMD, juga akan terus menempel ketat pada perlombaan tersebut.