Teknik-Teknik Pemrosesan Paralel

Suatu komputer serial terdiri atas sebuah unit memori utama untuk penyimpanan data dan instruksi, sebuah CPU untuk menginterpretasikan dan menjalankan instruksi-instruksi tersebut serta piranti-piranti I/O. Setiap operasi komputer, mulai proses fetch awal pada sebuah instruksi sampai eksekusinya untuk menyimpan atau menuliskan hasil-hasilnya, biasanya dilakukan secara sekuensial, yaitu satu per satu. Sebuah komputer paralel mempunyai kemampuan untuk saling tumpang tindih atau menjalankan beberapa operasi ini secara bersamaan waktunya.

       Beberapa cara telah dikembangkan untuk memperkenalkan paralelisme ke dalam arsitektur komputer serial. Beberapa di antaranya adalah sebagai berikut:

1. Pipelining dapat kita anggap sebagai paralelisme
2. Unit-unit fungsional berganda (multiple). Daripada memiliki sebuah ALU dalam sebuah CPU untuk menjalankan semua fungsi aritmatika dan logika, kita dapat membangun unit-unit yang terpisah untuk menjalankan fungsi-fungsi yang berbeda. Kita dapat juga memiliki lebih dari satu unit untuk menjalankan suatu fungsi tertentu. Kedua pendekatan itu memungkinkan terjadinya perhitungan paralel.
3. Tumpang tindih antara operasi-operasi CPU dan I/O. Pada komputer-komputer terdahulu, CPU bertanggung jawab untuk mengarahkan semua operasi I/O dan untuk menjalankan instruksi-instruksi program di dalam memori. Dengan memiliki sebuah prosesor I/O khusus (special purpose) yang menangani semua operasi I/O memungkinkan pelaksanaan instruksi-instruksi program lainnya dijalankan pada waktu yang sama.
4. Interleaving memori. Interleaving pada memori memungkinkan lebih dari satu word yang di-fetch dari memori pada suatu waktu. Dalam hubungannya dengan teknik-teknik paralelisme lainnya, cara ini dapat digunakan untuk menyediakan instruksi dan data dalam kecepatan yang tinggin.
5. Multiprograming. Dari titik pandang sistem komputer, multiprograming merupakan jenis paralelisme. Dalam kasus ini, kejadiannya merupakan program-program yang dijalankan secara sekuensial pada interval waktu yang sama.
6. Multiprosesing. Daripada kita memiliki sebuah CPU dalam sebuah sistem, kita dapat menggunakan beberapa prosesor yang bekerja bersama-sama pada permasalahan yang sama dan menghasilkan paralelisme. Dalam kasus ini, kejadian-kejadian itu dapat berupa bagian dari suatu program tunggal atau suatu program yang benar-benar terpisah. Kejadiannya yang pertama lebih sulit, kecuali jika program-program tersebut ditulis dalam suatu bahasa yang sama.

Arsitektur yang dibahas dalam bab ini menggunakan metode-metode ini, baik secara individual maupun kombinasi, untuk menjalankan paralelisme dalam suatu komputer.

KLASIFIKASI PADA ARSITEKTUR KOMPUTER PARAREL DAN MACAM GANGGUAN PADA SISTEM DISTRIBUSI

Arsitektur Paralel

Paralelisme dalam suatu komputer dapat diaplikasikan pada beberapa tingkatan, seperti berikut:

1. Tingkat pekerjaan: antara pekerjaan-pekerjaan atau fase-fase suatu pekerjaan. Hal ini menjadi prinsip dasar dari multiprogramming.

2. Tingkat prosedur: antara prosedur-prosedur dan di dalam loop. Hal ini harus tercakup sebagai hal yang penting bagi suatu bahasa.

3. Tingkat instruksi: antara fase-fase sebuah siklus instruksi, yaitu fetch, decode dan eksekusi suatu instruksi.

4. Tingkat aritmatika dan bit: antara bit-bit dalam sirkuit aritmatika. Salah satu contohnya adalah adder paralel. Telah banyak usaha untuk mengklasifikasikan perancangan arsitektur komputer paralel. Namun tidak ada satupun yang mampu memisahkan semua jenis perancangan menjadi kelompok-kelompok yang berbeda.

Skema klasifikasi yang paling umum digunakan adalah taksonomi Flynn. Kita akan membahas pula dua skema lainnya yaitu: Shore dan Feng.

Klasifikasi Flynn

Michael J. Flynn memperkenalkan suatu skema untuk mengklasifikasikan arsitektur suatu komputer dengan melihat bagaimana mesinnya menghubungkan instruksi-instruksinya ke data yang sedang diproses. Berikut klasifikasinya:

1. SISD: single instruction stream, single data stream. Merupakan suatu komputer serial konvesional dimana instruksi-instruksi dijalankan satu per satu dan sebuah instruksi tunggal berhubungan dengan paling banyak satu operasi data.

2. SIMD: single instruction stream, multiple data stream. Dalam sebuah komputer SIMD, suatu instruksi tunggal mengawali sejumlah besar operasi.

3. MISD: multiple instruction stream, single data stream. Kelas MISD melaksanakan beberapa operasi instruksi secara bersamaan pada sebuah item data tunggal.

4. MIMD: multiple instruction stream, multiple data stream. Sebuah komputer MIMD dicirikan oleh eksekusi lebih dari satu instruksi pada saat yang bersamaan, dimana setiap instruksi beroperasi pada beberapa aliran data.

Klasifikasi Shore

J.E. Shore membuat klasifikasi arsitektur komputer yang didasarkan pada organisasi bagian-bagian penyusun suatu komputer dan membedakannya menjadi enam jenis mesin.

1. Mesin I. Pada komputer ini, satu instruksi dikerjakan pada suatu waktu dan masing-masing beroperasi pada satu word dalam suatu waktu.

2. Mesin II. Komputer ini juga menjalankan satu instruksi pada suatu waktu, namun ia beroperasi pada sebuah irisan dari suatu bit dalam suatu waktu, bukannya semua bit dalam suatu word data.

3. Mesin III. Sebuah komputer dalam kelas ini memiliki dua unit pengolahan yang dapat beroperasi pada data, satu word dalarn suatu waktu atau suatu irisan bit dalam suatu waktu.

4. Mesin IV. Komputer jenis ini dicirikan oleh sejumlah elemen (unit pengolahan dan unit memori), semua di bawah kendali sebuah unit kendali logika (CLU) tunggal.

5. Mesin V. Mesin V dihasilkan dengan mengubah Mesin IV sedemikian sehingga elemen-elemen pengolahan dapat berkomunikasi dengán tetangga terdekat mereka.

6. Mesin VI. Komputer ini, disebut sebagai array logika-dalam-memori, merupakan sebuah mesin dengan logika prosesor yang tersebar dalam memori.

Klasifikasi Feng

Tse-yum Feng (1972) menyarankan pengklasifikasian arsitektur komputer atas tingkatan paralelisme mereka. Tingkatan paralelisme (degree of parallelism) diwakili oleh pasangan (n, m) dimana n merupakan panjang word dan m adalah panjang irisan bit.

Pasangan ini diklasifikasikan menjadi empat kelompok sebagai berikut:

1. Jika n = 1 dan m = I maka tidak terjadi paralelisme. Word dan bit diproses satu per satuan waktu. Hal ini disebut sebagai word serial/bit serial(WSBS).

2. Jika n> 1 dan m = 1 maka paralelisme itu disebut sebagai word paralel/bit serial (WPBS). Dalam hal ini, semua n irisan bit diproses satu per satuan waktu.

3. Paralelisme word serial/bit paralel (WSBP) terjadi jika n = 1 dan m> 1. Dengan demikian sejumlah n word diproses satu per satuan waktu tetapi sejumlah m bit dan masing-masing word diproses secara paralel.

4. Kategori terakhir disebut sebagai word paralel/bit paralel (WPBP) dan merupakan suatu paralelisme dimana n > 1 dan m > 1. Dalam hal ini, sejumlah nm bit diproses secara bersamaan.

Komputer sekuensial berdasarkan klasifikasi Flynn adalah kelompok komputer SISD  hanya mempunyai satu unit pengendali untuk menentukan instruksi yang akan dieksekusi. Pada setiap satuan waktu hanya satu instruksi yang dapat dieksekusi, dimana kecepatan akses ke memori dan kecepatan piranti masukan dan keluaran dapat memperlambat proses komputasi.

Beberapa metoda dibangun untuk menghindari masalah tersebut, seperti penggunaan cache memory. Namun komputer sekuensial ini tetap mengalami keterbatasan jika menangani masalah yang memerlukan kecepatan tinggi. Hal-hal tersebut di atas pada akhirnya melatarbelakangi lahirnya sistem komputer paralel.

Berdasarkan klasifikasi Flynn, komputer paralel termasuk kelompok SIMD atau MIMD. Komputer paralel mempunyai lebih dari satu unit pemroses dalam sebuah komputer yang sama.

Hal yang membuat suatu komputer dengan banyak prosesor disebut sebagai komputer paralel adalah bahwa seluruh prosesor tersebut dapat beroperasi secara simultan. Jika tiap-tiap prosesor dapat mengerjakan satu juta operasi tiap detik, maka sepuluh prosesor dapat mengerjakan sepuluh juta operasi tiap detik, seratus prosesor akan dapat mengerjakan seratus juta operasi tiap detiknya[Les93].

Pada dasarnya aktivitas sebuah prosesor pada komputer paralel adalah sama dengan aktivitas sebuah prosesor pada komputer sekuensial. Tiap prosesor membaca (read) data dari memori, memprosesnya dan menuliskannya (write) kembali ke memori. Aktivitas komputasi ini dikerjakan oleh seluruh prosesor secara paralel.

Macam-macam Gangguan pada sistem distribusi

1. Gangguan beban lebih

Gangguan ini sebenarnya bukan gangguan murni, tetapi bila dibiarkan terus menerus berlangsung dapat merusak peralatan listrik yang dialiri oleh arus tersebut. Karena arus yang mengalir melebihi dari kapasitas peralatan listrik dan pengaman yang terpasang melebihi kapasitas peralatan, sehingga saat beban melebihi pengaman tidak trip. Misal : kapasitas penghantar 300 A dan pengaman di setting 350 A tetapi beban mencapai 320 A, sehingga pengaman tidak trip dan penghantar akan terbakar.

2. Gangguan hubung singkat

Gangguan hubung singkat, dapat terjadi antar fasa (3 fasa atau 2 fasa) atau 1 fasa ketanah dan sifatnya bisa temporer atau permanen.

Gangguan permanen antara lain :

Gangguan hubung singkat, bisa terjadi pada kabel atau pada belitan transformator tenaga yang disebabkan karena arus gangguan hubung singkat melebihi kapasitasnya, sehingga penghantar menjadi panas yang dapat mempengaruhi isolasi atau minyak transformator, sehingga isolasi tembus. Pada generator yang disebabkan karena adanya gangguan hubung singkat atau pembebanan yang melebihi kapasitas. Sehingga rotor memasok arus dari eksitasi berlebih yang dapat menimbulkan pemanasan yang dapat merusak isolasi sehingga isolasi tembus. Disini pada titik gangguan memang terjadi kerusakan yang permanen. Peralatan yang terganggu tersebut, baru bisa dioperasikan kembali setelah bagian yang rusak diperbaiki atau diganti.

Gangguan temporer, antara lain :

Flashover karena sambaran petir (penghantar terkena sambaran petir), flashover dengan pohon, penghantar tertiup angin yang dapat menimbulkan gangguan antar fasa atau penghantar fasa menyentuh pohon yang dapat menimbulkan gangguan 1 fasa ketanah. Gangguan ini yang tembus (breakdown) adalah isolasi udaranya, oleh karena itu tidak ada kerusakan yang permanen. Setelah arus gangguannya terputus, misalnya karena terbukanya circuit breaker oleh relai pengamannya, peralatan atau saluran yang terganggu tersebut siap dioperasikan kembali.

3. Gangguan Tegangan Lebih

Gangguan tegangan lebih yang diakibatkan adanya kelainan pada sistem, dimana tegangan lebih dibedakan atas :

- Tegangan lebih dengan power frekuensi, misal : pembangkit kehilangan beban yang diakibatkan adanya gangguan pada sisi jaringan, sehingga over speed pada generator, tegangan lebih ini dapat juga terjadi adanya gangguan pada pengatur tegangan secara otomatis (Automatic Voltage Regulator).

- Tegangan lebih transient karena adanya surja petir (lightning surge) yang mengenai peralatan listrik atau saat pemutus (PMT) yang menimbulkan kenaikan tegangan yang disebut surja hubung (switching surge).

4. Gangguan Ketakstabilan (Instability)

Gangguan hubung singkat atau lepasnya pembangkit, dapat menimbulkan ayunan daya (power swing) atau menyebabkan unit-unit pembangkit lepas sinkron, ayunan dapat menyebabkan salah kerja relai. Lepas sinkron dapat menyebabkan berkurangnya pembangkit, karena tripnya pembangkit yang besar dari spinning reserve, maka frekuensi akan terus turun atau terpisahnya sistem yang selanjutnya dapat menyebabkan gangguan yang lebih luas bahkan sistem terjadi keruntuhan (collapse).