Sejarah unit pemrosesan pusat (CPU)

Unit pemrosesan pusat (CPU) adalah otak komputer. Itu menangani penugasan dan pemrosesan tugas, selain fungsi yang membuat komputer berjalan.

Tidak ada cara untuk melebih-lebihkan pentingnya CPU untuk komputasi. Hampir semua sistem komputer memiliki, setidaknya, beberapa jenis CPU dasar. Terlepas dari apakah mereka digunakan di komputer pribadi (PC), laptop, tablet, ponsel cerdas, atau bahkan di superkomputer yang hasilnya sangat kuat sehingga harus diukur dalam operasi floating-point per detik, CPU adalah satu-satunya peralatan di komputer yang tidak dapat dikorbankan. Apa pun kemajuan teknologi yang terjadi, kenyataannya tetap sama, jika Anda melepas CPU, Anda tidak lagi memiliki komputer.

Selain mengelola aktivitas komputer, CPU membantu mengaktifkan dan menstabilkan hubungan push-and-pull yang ada antara penyimpanan data dan memori. CPU berfungsi sebagai perantara, berinteraksi dengan penyimpanan utama (atau memori utama) ketika perlu mengakses data dari memori akses acak sistem operasi (RAM). Di sisi lain, memori read-only (ROM) dibangun untuk penyimpanan data permanen dan biasanya jangka panjang.

CPU modern di komputer elektronik biasanya memiliki komponen-komponen berikut:

• Unit kontrol: Berisi sirkuit intensif yang memimpin sistem komputer dengan mengeluarkan sistem denyut listrik dan memerintahkan sistem untuk melaksanakan instruksi komputer tingkat tinggi.
• Unit aritmatika/logika (ALU): Menjalankan semua operasi aritmatika dan logika, termasuk persamaan matematika dan perbandingan berbasis logika yang terkait dengan tindakan komputer tertentu.
• Unit memori: Mengelola penggunaan memori dan aliran data antara RAM dan CPU. Juga mengawasi penanganan memori cache.
• Cache: Berisi area memori yang terpasang di dalam chip prosesor CPU untuk mencapai kecepatan pengambilan data yang bahkan lebih cepat daripada yang dapat dicapai oleh RAM.
• Register: Menyediakan memori permanen built-in untuk kebutuhan data yang konstan dan berulang yang harus ditangani secara teratur dan segera.
• Jam: Mengelola sirkuit CPU dengan mentransmisikan denyut listrik. Tingkat pengiriman pulsa tersebut disebut sebagai kecepatan clock, diukur dalam Hertz (Hz) atau megahertz (MHz).
• Register instruksi dan penunjuk: Menampilkan lokasi set instruksi berikutnya yang akan dieksekusi oleh CPU.
• Bus: Memastikan transfer data dan aliran data yang tepat antara komponen sistem komputer.

CPU berfungsi dengan menggunakan jenis siklus perintah berulang yang diatur oleh unit kontrol bersama dengan jam komputer, yang menyediakan bantuan sinkronisasi.

Pekerjaan yang dilakukan CPU terjadi sesuai dengan siklus yang telah ditetapkan (disebut siklus instruksi CPU). Siklus instruksi CPU menunjuk sejumlah pengulangan tertentu, dan ini adalah berapa kali instruksi komputasi dasar akan diulang, sebagaimana diizinkan oleh kekuatan pemrosesan komputer itu.

Instruksi komputasi dasar meliputi hal berikut:

• Ambil (Fetch): Pengambilan terjadi kapan saja data diambil dari memori.
• Dekode (Decode): Dekoder di dalam CPU menerjemahkan instruksi biner menjadi sinyal listrik yang berhubungan dengan bagian lain dari CPU.
• Eksekusi (Execute): Eksekusi terjadi ketika komputer menafsirkan dan melaksanakan serangkaian instruksi program komputer.

Dengan beberapa pengotak-atikan dasar, jam komputer di dalam CPU dapat dimanipulasi untuk menjaga waktu lebih cepat daripada yang biasanya terjadi. Beberapa pengguna melakukan ini untuk menjalankan komputer mereka pada kecepatan yang lebih tinggi. Namun, praktik ini (“overclocking”) tidak disarankan karena dapat menyebabkan komponen komputer menjadi aus lebih awal dari biasanya dan bahkan dapat melanggar jaminan produsen CPU.

Gaya pemrosesan juga dapat diubah. Salah satu cara untuk memanipulasinya adalah dengan mengimplementasikan pipelining instruksi, yang berusaha menanamkan paralelisme tingkat instruksi dalam satu prosesor. Tujuan dari pipelining adalah untuk menjaga setiap bagian dari prosesor tetap aktif dengan membagi instruksi komputer yang masuk dan menyebarkannya secara merata di antara unit prosesor. Instruksi dipecah menjadi serangkaian instruksi atau langkah yang lebih kecil.

Metode lain untuk mencapai paralelisme tingkat instruksi di dalam satu prosesor adalah dengan menggunakan CPU yang disebut prosesor superskalar. Sementara prosesor skalar dapat menjalankan maksimum satu instruksi per siklus clock, sebenarnya tidak ada batasan berapa banyak instruksi yang dapat dikirim oleh prosesor superskalar. Ini mengirimkan beberapa instruksi ke berbagai unit eksekusi prosesor, sehingga meningkatkan throughput.

Teknologi terobosan seringkali memiliki lebih dari satu induk. Semakin kompleks dan mengguncang teknologi itu, semakin banyak individu yang biasanya bertanggung jawab atas inovasi itu.

Dalam kasus CPU, salah satu penemuan terpenting dalam sejarah, kita benar-benar berbicara tentang siapa yang penemu komputer itu sendiri.

Para antropolog menggunakan istilah “penemuan independen” untuk menggambarkan situasi di mana individu-individu yang berbeda, yang mungkin berada di negara yang jauh satu sama lain dan relatif terisolasi, masing-masing menghasilkan ide atau penemuan yang serupa atau saling melengkapi tanpa mengetahui adanya eksperimen serupa yang sedang berlangsung.

Dalam kasus CPU (atau komputer), penemuan independen telah terjadi berulang kali, yang menyebabkan berbagai pergeseran evolusi selama sejarah CPU.

Meskipun artikel ini tidak dapat merekognisi semua pelopor awal komputasi, ada dua orang yang kehidupan dan karyanya perlu diterangi. Keduanya memiliki koneksi langsung ke komputasi dan CPU:

Grace Hopper: Penghormatan untuk “Nenek COBOL”

Grace Brewster Hopper (1906-1992) dari Amerika Serikat memiliki berat badan hanya 105 kilogram saat mendaftar di Angkatan Laut AS, 15 kilogram di bawah batas berat badan yang disyaratkan. Dan dalam salah satu keputusan paling bijaksana dalam sejarah maritim AS, Angkatan Laut memberikan pengecualian dan menerimanya dalam tim.

Apa yang kurang dari Grace Hopper dalam ukuran fisik, dia menebusnya dengan energi dan kecemerlangan serbaguna. Dia adalah seorang polimatik tingkat pertama: ahli matematika berbakat yang dipersenjatai dengan gelar Ph.D. kembar dari Universitas Yale di bidang matematika dan fisika matematika, seorang profesor matematika terkemuka di Vassar College, ilmuwan komputer perintis yang berjasa dalam menulis bahasa komputer dan menyusun manual komputer pertama, dan seorang komandan angkatan laut (di masa ketika wanita jarang naik jabatan di atas peran administratif di militer).

Karena karyanya dalam proyek-proyek komputer terkemuka pada masanya, seperti pengembangan superkomputer UNIVAC setelah Perang Dunia II, Hopper selalu terlihat di tengah-tengah aksi, selalu berada di tempat dan waktu yang tepat. Dia secara pribadi telah menyaksikan banyak sejarah komputasi modern. Dia adalah orang yang pertama kali menciptakan istilah “bug komputer”, yang menggambarkan ngengat yang terperangkap di dalam peralatan komputer. (Ngengat asli masih dipajang di Museum Nasional Sejarah Amerika Smithsonian Institution di Washington, DC).

Selama pengalamannya mengerjakan proyek UNIVAC (dan kemudian menjalankan proyek UNIVAC untuk Remington Rand Corporation), Hopper menjadi frustrasi karena tidak ada bahasa pemrograman yang lebih sederhana yang dapat digunakan. Jadi, dia mulai menulis bahasa pemrogramannya sendiri, yang kemudian dikenal sebagai COBOL (akronim untuk COmmon Business-Oriented Language).

Robert Noyce: Walikota Sillicon Valley

Robert Noyce adalah seorang penggerak dan pembaharu dalam pengertian bisnis klasik, seseorang yang dapat membuat aktivitas luar biasa mulai terjadi hanya dengan kehadirannya.

Robert Noyce dari Amerika (1927-1990) adalah seorang bocah penemu. Dia kemudian menyalurkan keingintahuan intelektualnya ke dalam pekerjaannya di perguruan tinggi, terutama setelah melihat dua transistor asli yang dibuat oleh Bell Laboratories. Pada usia 26, Noyce memperoleh gelar Ph.D. dalam Fisika dari Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Pada tahun 1959, dia menindaklanjuti penemuan Jack Kilby pada tahun 1958 tentang sirkuit terpadu hybruid pertama dengan membuat perubahan substansial pada desain aslinya. Perbaikan yang dilakukan Noyce menghasilkan jenis sirkuit terpadu yang baru: sirkuit terpadu monolitik (juga disebut microchip), yang diformulasikan menggunakan silikon. Segera setelah itu, chip silikon menjadi wahyu, mengubah industri dan membentuk masyarakat dengan cara baru.

Noyce ikut mendirikan dua perusahaan yang sangat sukses selama karir bisnisnya: Fairchild Semiconductor Corporation (1957) dan Intel (1968). Dia adalah CEO pertama Intel, yang masih dikenal secara global sebagai manufaktur chip pemrosesan.

Rekannya dalam kedua usaha tersebut adalah Gordon Moore, yang menjadi terkenal karena prediksi tentang industri semikonduktor yang terbukti sangat andal yang membuatnya tampak seperti sebuah algoritma. Disebut “Hukum Moore”, hukum ini menyatakan bahwa jumlah transistor yang akan digunakan dalam sirkuit terpadu dapat digandakan dua kali lipat setiap dua tahun.

Ketika Noyce mengawasi Intel, perusahaan ini memproduksi Intel 4004, yang kini dikenal sebagai chip yang meluncurkan revolusi mikroprosesor pada tahun 1970-an. Penciptaan Intel 4004 melibatkan kolaborasi tiga arah antara Ted Hoff dari Intel, Stanley Mazor, dan Federico Faggin, dan menjadi mikroprosesor pertama yang ditawarkan secara komersial.

Di akhir masa jabatannya, perusahaan ini juga memproduksi Intel 8080-mikroprosesor 8-bit kedua dari perusahaan ini, yang pertama kali muncul pada bulan April 1974. Dalam beberapa tahun setelah itu, manufaktur meluncurkan Intel 8086, mikroprosesor 16-bit.

Selama kariernya yang gemilang, Robert Noyce mengumpulkan 12 paten untuk berbagai kreasi dan mendapat penghargaan dari tiga presiden AS yang berbeda atas karyanya pada sirkuit terpadu dan dampak global yang sangat besar.

Tampaknya sangat dramatis, tetapi pada tahun 1943, nasib dunia benar-benar tergantung di keseimbangan. Hasil Perang Dunia II (1939-1945) masih belum dapat diputuskan, dan baik pasukan Sekutu maupun pasukan Poros dengan penuh semangat mencari segala jenis keunggulan teknologi untuk mendapatkan pengaruh atas musuh.

Perangkat komputer masih dalam tahap awal ketika sebuah proyek yang monumental seperti Proyek Manhattan diciptakan. Pemerintah AS mempekerjakan sekelompok engineer dari Moore School of Electrical Engineering di University of Pennsylvania. Misi ini meminta mereka untuk membangun komputer elektronik yang mampu menghitung jumlah yardage untuk tabel jarak artileri.

Proyek ini dipimpin oleh John Mauchly dan J. Presper Eckert, Jr. atas permintaan militer. Pekerjaan dimulai pada proyek ini pada awal 1943 dan tidak berakhir sampai 3 tahun kemudian.

Kreasi yang dihasilkan oleh proyek ini, yang dijuluki sebagai ENIAC, singkatan dari “Electronic Numerical Integrator and Computer”, merupakan instalasi besar yang membutuhkan ruang lantai 1.500. kaki persegi, belum lagi 17.000 tabung vakum kaca, 70.000 resistor, 10.000 kapasitor, 6.000 sakelar, dan 1.500 relay. Dalam mata uang 2024, proyek ini akan menelan biaya 6,7 juta USD.

Ini dapat memproses hingga 5.000 persamaan per detik (tergantung pada persamaan), jumlah yang luar biasa saat dilihat dari sudut pandang historis. Karena ukurannya yang besar, ENIAC sangat besar sehingga orang dapat berdiri di dalam CPU dan memprogram mesin dengan menyambungkan kembali koneksi antara unit fungsional dalam mesin.

ENIAC digunakan oleh Angkatan Darat AS selama sisa Perang Dunia II. Tetapi ketika konflik itu berakhir, Perang Dingin dimulai dan ENIAC diberi perintah baru. Kali ini, itu akan melakukan perhitungan yang membantu pembuatan bom dengan kekuatan ledakan lebih dari seribu kali lipat dari senjata atom yang mengakhiri Perang Dunia II: bom hidrogen.

Setelah Perang Dunia II, dua pemimpin proyek ENIAC memutuskan untuk mendirikan toko dan membawa komputasi ke bisnis Amerika. Eckert-Mauchly Computer Corporation (EMCC) yang baru saja dijuluki Eckert-Mauchly Computer Corporation (EMCC) mulai mempersiapkan produk andalannya, versi ENIAC yang lebih kecil dan lebih murah, dengan berbagai peningkatan seperti penambahan tape drive, keyboard, dan perangkat konverter yang dapat menerima penggunaan kartu punch.

Meskipun lebih ramping daripada ENIAC, UNIVAC yang diperkenalkan ke publik pada tahun 1951 masih sangat besar, beratnya lebih dari 8 ton dan menggunakan energi 125 kW. Dan itu masih mahal: sekitar 11,6 juta USD dalam nilai uang saat ini.

Untuk CPU-nya, kamera ini berisi CPU pertama, UNIVAC 1103, yang dikembangkan pada saat yang sama dengan proyek lainnya. UNIVAC 1103 menggunakan tabung vakum kaca, membuat CPU berukuran besar, sulit digunakan, dan lambat.

Batch awal UNIVAC 1 terbatas pada 11 mesin, yang berarti bahwa hanya perusahaan atau lembaga pemerintah yang paling besar, paling banyak didanai, dan paling terhubung yang bisa mendapatkan akses ke UNIVAC. Hampir setengah dari mereka adalah lembaga pertahanan AS, seperti Angkatan Udara AS dan Badan Intelijen Pusat (CIA). Model pertama dibeli oleh Biro Sensus AS.

CBS News memiliki salah satu mesin tersebut dan terkenal menggunakannya untuk memprediksi dengan tepat hasil pemilihan Presiden AS tahun 1952, melawan peluang yang tidak terduga. Itu adalah aksi publisitas berani yang memperkenalkan publik Amerika pada keajaiban yang bisa dilakukan komputer.

Ketika komputasi semakin terwujud dan dirayakan, kelemahan utamanya jelas. CPU memiliki masalah berkelanjutan dengan tabung vakum yang digunakan. Itu benar-benar masalah mekanis: Tabung vakum kaca sangat halus dan rentan terhadap kerusakan rutin.

Masalahnya begitu nyata sehingga produsen berusaha keras untuk memberikan solusi pemecahan masalah bagi banyak pelanggannya yang gelisah, yang komputernya mati tanpa tabung yang berfungsi.

Produsen tabung secara teratur menguji tabung di pabrik, dengan menguji tabung dalam berbagai jumlah penggunaan dan penyalahgunaan di pabrik, sebelum memilih tabung yang “paling tangguh” dari batch tersebut untuk disimpan sebagai cadangan dan siap digunakan untuk permintaan darurat pelanggan.

Masalah lain dengan tabung vakum di CPU melibatkan ukuran mesin komputasi itu sendiri. Tabungnya besar dan para perancang mendambakan cara untuk mendapatkan daya pemrosesan tabung dari perangkat yang jauh lebih kecil.

Pada tahun 1953, seorang mahasiswa peneliti di University of Manchester menunjukkan bahwa Anda dapat membangun komputer yang sepenuhnya berbasis transistor (tautan berada di luar ibm.com).

Transistor asli sulit untuk digunakan, sebagian besar karena dibuat dari germanium, suatu zat yang sulit dimurnikan dan harus dijaga dalam kisaran suhu yang tepat.

Ilmuwan Bell Laboratory mulai bereksperimen dengan zat lain pada tahun 1954, termasuk silikon. Ilmuwan Bell (Mohamed Italia dan Dawn Kahng) terus menyempurnakan penggunaan silikon mereka dan pada tahun 1960 telah menemukan formula untuk transistor efek medan logam-oksida-semikonduktor (atau MOSFET, atau MOS transistor) modern, yang telah dirayakan sebagai “perangkat yang paling banyak diproduksi dalam sejarah”, (tautan berada di luar ibm.com) oleh Museum Sejarah Komputer. Pada tahun 2018 diperkirakan 13 sextillion transistor MOS telah diproduksi.

Pencarian miniaturisasi terus berlanjut hingga para ilmuwan komputer menciptakan CPU yang sangat kecil untuk dapat dimasukkan ke dalam sebuah chip sirkuit terintegrasi kecil, yang disebut mikroprosesor.

Mikroprosesor ditentukan oleh jumlah inti yang mereka dukung. Inti CPU adalah “otak di dalam otak”, berfungsi sebagai unit pemrosesan fisik dalam CPU. Mikroprosesor dapat berisi beberapa prosesor. Sementara itu, inti fisik adalah CPU yang dibangun di dalam chip, tetapi hanya menempati satu soket, sehingga memungkinkan inti fisik lainnya untuk memanfaatkan lingkungan komputasi yang sama.

Berikut adalah beberapa istilah utama lainnya yang digunakan dalam kaitannya dengan mikroprosesor:

• Prosesor inti tunggal: Prosesor inti tunggal berisi unit pemrosesan tunggal. Proses ini biasanya ditandai dengan kinerja yang lebih lambat, berjalan pada satu thread dan menjalankan siklus instruksi CPU satu per satu.
• Prosesor inti ganda: Prosesor inti ganda dilengkapi dengan dua unit pemrosesan yang terdapat dalam satu sirkuit terpadu. Kedua inti berjalan pada saat yang sama, secara efektif menggandakan tingkat kinerja.
• Prosesor empat inti: Prosesor empat inti berisi empat unit pemrosesan dalam satu sirkuit terpadu. Semua inti berjalan secara bersamaan, empat kali lipat tingkat kinerja.
• Prosesor multi-inti: Prosesor multi-core adalah sirkuit terintegrasi yang dilengkapi dengan setidaknya dua inti prosesor, sehingga dapat memberikan kinerja tertinggi dan konsumsi daya yang optimal.

Beberapa perusahaan sekarang membuat produk yang mendukung CPU melalui lini merek yang berbeda. Namun, pasar khusus ini telah berubah secara dramatis, mengingat sebelumnya menarik banyak pemain, termasuk banyak produsen utama (misalnya, Motorola). Sekarang hanya ada beberapa pemain utama: Intel dan AMD.

Mereka menggunakan arsitektur set instruksi (ISA) yang berbeda. Jadi, sementara prosesor AMD menggunakan arsitektur Reduced Instruction Set Computer (RISC), prosesor Intel mengikuti arsitektur Complex Instruction Set Computer (CISC).

• Advanced Micro Devices (AMD): AMD menjual prosesor dan mikroprosesor melalui dua jenis produk: CPU dan APU (singkatan dari Accelerated Processing Unit). Dalam hal ini, APU hanyalah CPU yang telah dilengkapi dengan grafis Radeon eksklusif. Prosesor Ryzen AMD adalah mikroprosesor berkecepatan tinggi dan berkinerja tinggi yang ditujukan untuk pasar video-game. Prosesor Athlon sebelumnya dianggap sebagai lini tingkat tinggi AMD, tetapi AMD sekarang menggunakannya sebagai alternatif tujuan umum.
• Arm: Arm sebenarnya tidak memproduksi peralatan, tetapi menyewakan desain prosesornya yang berharga dan/atau teknologi hak milik lainnya kepada perusahaan lain yang membuat peralatan. Apple, misalnya, tidak lagi menggunakan chip Intel dalam CPU Mac, tetapi membuat prosesor khusus sendiri berdasarkan desain Arm. Perusahaan lain mengikutinya.
• Intel: Intel menjual prosesor dan mikroprosesor melalui empat lini produk. Lini premiumnya adalah Intel Core, termasuk model prosesor seperti Core i3. Prosesor Xeon Intel dipasarkan untuk kantor dan bisnis. Lini Celeron dan Intel Pentium Intel (diwakili oleh model seperti CPU single-core Pentium 4) dianggap lebih lambat dan kurang bertenaga dibandingkan dengan lini Core.

Saat mempertimbangkan CPU, kita dapat memikirkan berbagai komponen yang terkandung dan digunakan CPU. Kita juga dapat merenungkan bagaimana desain CPU telah bergerak dari eksperimen awal berukuran super ke periode miniaturisasi modern.

Namun, terlepas dari transformasi apa pun pada dimensi atau penampilannya, CPU tetap tangguh, tetap berfungsi sama, karena itu melakukan tugasnya dengan sangat bagus. Anda tahu Anda dapat mempercayainya untuk bekerja dengan benar, setiap kali.

Komputasi cerdas tergantung pada memiliki peralatan yang tepat yang dapat Anda andalkan. IBM membangun servernya dengan kuat, untuk menahan masalah apa pun yang dapat dihadapi tempat kerja modern. Temukan server IBM yang Anda butuhkan untuk mendapatkan hasil yang diandalkan organisasi Anda.