Diterima: 21 April 2019; Direvisi: 2 Mei 2019; Disetujui: 15 Juni 2019 JTERA, Vol. 4, No. 1, Juni 2019

## Analisis Perbandingan Performa Average Access Time Cache pada Prosesor Komputer

## Andri Ulus Rahayu
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Siliwangi Jalan Siliwangi No. 24, Tasikmalaya, Jawa Barat, Indonesia andriulusr@unsil.ac.id

## Abstrak
Performa  komputer  dari  generasi  ke  generasi  mengalami  peningkatan  yang  cukup  pesat,  terutama  dalam  hal kecepatan  pemrosesan  data.  Jika  kita  amati,  kecepatan  komputer  dalam  melakukan  pemrosesan  data  merupakan  arah dari    perkembangan  generasi  komputer.  Kecepatan  pemrosesan  data  ini  sangat  dipengaruhi  oleh average  access  time pada cache prosesor. Tujuan penelitian ini adalah untuk membandingkan performa dan memberikan gambaran average access time pada multilevel cache proseesor komputer. Untuk mendapatkan perbandingan dan gambaran mengenai cara menghitung average  access  time ini , digunakan  dua  buah  prosesor  sebagai  sampel  yaitu  Intel  Core  I7  2600K  dan Phenom  II  X6  1100T.  Untuk  membandingkan average  access  time dari  kedua  prosesor  tersebut,  diperlukan  dua indikator  yaitu access  time dan hit  rate .  Dari    hasil    analisis    yang    dilakukan,    dapat  disimpulkan    bahwa  dari  segi average  access  time ,  prosesor  Phenom  X6  1100T  memiliki  performa  lebih  baik  jika  dibandingkan  dengan  prosesor Intel Core I7 2600K.
Kata kunci: cache, access time, multilevel cache, hit rate

## Abstract
The computer performance from the first generation until the last generation has increased quite rapidly, especially in  terms  of  data  processing  speed. If  we  observe,  the  speed  of  computer  data  processing  is  the  direction  of  the development  computer generation. This data  processing  speed is greatly influenced by the average access time in  the cache  processor.  The  purpose  of  this  research  is  to  provide  an  overview  of  how  the  method  of  calculating  Average Access Time in multilevel cache. To get an overview of how to calculate Average Access Time in multilevel cache, the comparison method of Average Access Time is used from 2 processors, namely the Intel Core I7 2600k and Phenom II X6 1100T. To compare the average access time between two processors, there are two indicators needed, that is access time  and  hit  rate.  The  results  concluded  that  the  Phenom  X6  1100T  processor  has  better  performance  than  the  Intel Core I7 processor.
Keywords: cache, average access time, multilevel cache, hit rate

## I. P ENDAHULUAN
Dalam  proses  komputasi,  data  atau  instruksi yang paling  sering digunakan akan disimpan  dalam cache sehingga  dapat  diakses  sangat  cepat  ketika dibutuhkan.  Semakin  cepat  kinerja cache maka akan  meningkatkan  kinerja  keseluruhan  sistem komputer  [1]. Cach e  adalah  memori  berukuran kecil yang sifatnya temporary (sementara).
Walaupun  memiliki  ukuran  yang  sangat  kecil, namun kecepatannya sangat tinggi. Dalam terminologi hardware ,  istilah  ini  biasanya  merujuk pada memori berkecepatan tinggi yang
menjembatani  aliran  data  antara  prosesor  dengan memori  utama  (RAM)  yang  biasanya  memiliki kecepatan  jauh  lebih  rendah.  Penggunaan cache ditujukan untuk meminimalisir terjadinya bottleneck dalam aliran data antara prosesor dan RAM. Dalam terminologi software ,  istilah cache merujuk  pada tempat  penyimpanan  sementara  untuk  beberapa file yang sering diakses.
Cache berfungsi  sebagai  tempat  penyimpanan sementara untuk data atau instruksi yang diperlukan oleh  prosesor.  Secara  singkat, cache berfungsi untuk  mempercepat  akses  data  pada  komputer karena cache menyimpan data/informasi yang telah
diakses  oleh  suatu buffer ,  sehingga  meringankan kerja  prosesor.  Jika  prosesor  membutuhkan  suatu data,  data  tersebut  pertama  kali  akan  dicari  pada cache . Jika data ditemukan, prosesor akan langsung membacanya  dengan delay yang  sangat  kecil.
Tetapi  jika  data  yang  dicari  tidak  ditemukan, prosesor  akan  mencarinya  pada  RAM  yang kecepatannya  lebih  rendah.  Pada  umumnya,  cache dapat  menyediakan  data  yang  dibutuhkan  oleh prosesor  sehingga  pengaruh  kerja  RAM  yang lambat  dapat  dikurangi.  Dengan  cara  ini  maka memori bandwidth akan  naik  dan  kerja  prosesor menjadi  lebih  efisien.  Selain  itu,  kapasitas  memori cache yang  semakin  besar  juga  akan  meningkatkan kecepatan  kerja  komputer  secara  keseluruhan  [1]. Dua jenis cache yang sering digunakan dalam dunia komputer adalah memory caching dan disk caching . Implementasinya  dapat  berupa  sebuah  bagian khusus  dari  memori  utama  komputer  atau  sebuah media penyimpanan data khusus yang berkecepatan tinggi. Implementasi memory caching sering disebut sebagai  memori cache dan  tersusun  dari  memori komputer  jenis  SDRAM  yang  berkecepatan  tinggi, sedangkan implementasi disk caching menggunakan sebagian  dari  memori  komputer. Cache yang  lebih besar  akan memiliki hit  rate lebih baik, tetapi akan memiliki latency lebih  lama.  Untuk  mengatasinya, banyak  komputer  yang  menggunakan  beberapa tingkat cache ,  dimulai  dari cache dengan  ukuran kecil  yang  memiliki  kecepatan  tinggi,  kemudian didukung  oleh cache yang  memiliki  ukuran  besar namun  kecepatannya  lebih  lambat.  Dalam  prosesor multi-core ,  setiap  prosesor  memiliki cache level  1 (L1) masing-masing, sementara cache level terakhir digunakan  oleh  semua core [2]-[4].  L1 cache disebut  pula  dengan  istilah primary  cache , first cache ,  atau level  one  cache .  L2 cache disebut dengan istilah secondary cache , second level cache , atau level  two  cache .  Sementara  L3 cache disebut dengan istilah last level cache [5], [6].
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  membandingkan performa Average  Access  Time (AAT)  pada  multi- level cache. Jenis prosesor yang digunakan sebagai perbandingan  adalah  Intel  Core  I7  2600K  dan Phenom  II  X6  1100T.  Kedua  prosesor  ini merupakan  jenis  prosesor  komputer  yang  banyak digunakan saat ini. Dengan mengetahui perbandingan  AAT  kedua  prosesor  tersebut,  maka diharapkan  dapat  memberikan  gambaran  terkait penggunaan prosesor.

## II. M ETODE P ENELITIAN
Metode  yang  akan  digunakan  untuk  melakukan perhitungan Average  Access  Time pada  multi-level
cache adalah  dengan  menggunaan  persamaan sebagai berikut [7]:
( [ ( [ ( )])])
(1) dimana:
= miss rate = access time = memory time
Pada  penelitian  ini,  ada  dua  indikator  utama  pada Intel core  I7 2600k dan Phenom  II X6 1100T yang akan dibandingkan yaitu access time dan hit rate .

## A. Access Time
Transfer  data  dari  L1 cache ke  prosesor  terjadi paling  cepat  dibandingkan  L2 cache maupun  L3 cache .  Kecepatannya  mendekati  kecepatan  register. L1 cache ini  dikunci  pada  kecepatan  yang  sama pada  prosesor.  Secara  fisik,  L1 cache tidak  bisa dilihat  dengan  mata  telanjang.  L1 cache adalah lokasi  pertama  yang  diakses  oleh  prosesor    ketika mencari  pasokan  data. Kapasitas  simpan  datanya paling  kecil,  antara  puluhan    hingga    ribuan byte tergantung  jenis  prosesor.  Pada  beberapa  jenis prosesor  pentium  kapasitasnya  16  KB  yang  terbagi menjadi  dua  bagian,  yaitu  8  KB  untuk  menyimpan instruksi dan 8 KB untuk menyimpan data. Gambar 1 berikut menunjukan hirarki dari multi-level cache .
MAIN MEMORY L3 CACHE L2 CACHE L1 CACHE PROCESSOR
Gambar 2. Cache latencies
Gambar 3. Hit rate vs. cache size
Transfer  data  tercepat  kedua  setelah  L1 cache adalah  L2 cache .  Prosesor  dapat  mengambil  data dari cache L2  yang  terintegrasi  ( on-chip )  lebih cepat  dari  pada cache L2  yang  tidak  terintegrasi. Kapasitas simpan datanya lebih besar dibandingkan L1 cache ,  antara  ratusan  ribu byte hingga  jutaan byte , ada yang 128 KB, 256 KB, 512 KB, 1 MB, 2 MB,  bahkan  8  MB,  tergantung    jenis    prosesornya. Kapasitas  simpan  data  untuk  L3 cache lebih  besar lagi, bisa ratusan juta byte (ratusan megabyte ) [8].
Gambar  3  merupakan  hasil  pengujian software Sandra 2011 dari cache latencies ( access time ) dari beberapa  prosesor  termasuk  diantaranya  adalah Intel Core I7 2600k dan Phenom X6 1100T. Access time untuk  Intel  Core  I7  2600k  pada cache L1 adalah  1,2  ns,  untuk cache L2  adalah  3,6  ns,  dan untuk cache L3  adalah  11,7  ns.  Sementara  untuk main  memory memiliki access  time 66,1  ns.
Selanjutnya access time untuk Phenom II X6 1100T pada cache L1 adalah 0,9 ns, untuk cache L2 adalah 4,7  ns,  dan  untuk cache L3  adalah  20,24  ns. Sementara  untuk main  memory memiliki access time 80,6 ns.

## B. Cache Hit dan Miss
Cache  hit adalah  kondisi  dimana  prosesor berhasil  membaca  data  pada cache .  Sementara cache  miss adalah  kondisi  dimana  prosesor  gagal membaca data yang dibutuhkan sehingga diperlukan  penelusuran  data  lebih  lanjut  pada  level cache selanjutnya. Cache  miss  rate dan miss penalti adalah dua faktor utama yang mempengaruhi kinerja cache . Waktu yang diperlukan  untuk  menangani cache  miss disebut penalti  cache . Cache  miss dapat  dikurangi dengan penggunaan multi-level cache [9], [10].
Gambar 4. Hit rate Intel Core I7 2600k vs Phenom X6
1100T
Gambar 5. Miss rate Intel Core I7 2600k vs Phenom X6 1100T
Gambar  3  memperlihatkan  bahwa  semakin besar cache size maka akan semakin tinggi nilai hit  rate [11].  Dengan  demikian  maka  semakin besar cache size maka akan semakin kecil nilai miss rate dimana miss rate = 1 – hit rate . Dari grafik  pada  Gambar  4  dan  Gambar  5  dapat diperloeh  data  karakteristik cache yang menunjukan  nilai  3  level cache dari  Intel  Core  I7 2600k dan Phenom X6 1100T yang ditunjukan oleh Tabel 1 dan Tabel 2.
Tabel 1. Karakteristik cache size vs. hit and miss Intel Core I7 2600k Cache Size Hit rate Miss rate L1 64 KB 92% 8% L2 256 KB 96% 4% L3 8 MB 99,9% 0,1%
Tabel 2. Karakteristik cache size vs. hit and miss Phenom X6 1100T
Cache Size Hit rate Miss rate L1 64 KB 92% 8% L2 512 KB 98% 2% L3 6 MB 99,8% 0,2%
Tabel 3. Cache size I7 2600k dan X6 1100T Prosesor L1 L2 L3 Core I7 2600k 64 KB 256 KB 8 MB X6 1100T 64 KB 512 Kb 6 MB
Dari  Tabel  1  dan  Tabel  2  dapat  dilihat  bahwa Intel  Core  I7  2600k  dan  Phenom  X6  1100T memiliki hit  rate yang  sama  pada cache L1. Selanjutnya,  pada cache L2,  Phenom  X6  1100T memiliki hit  rate yang  lebih  baik  dibandingkan dengan  Intel Core  I7 2600k, sedangkan pada cache L3  Intel  Core  I7  2600k  lebih  unggul  dibandingkan dengan  Phenom X6 1100T.

## C. Spesifikasi
Tabel  3  merupakan  spesifikasi  kapasitas  dari cache Intel Core I7 2600k dan Phenom II X6 1100T. Berdasarkan  spesifikasi  tersebut,  dapat  dilihat bahwa  terdapat  perbedaan size dari  kedua  prosesor tersebut,  yaitu  pada  L2  dimana  Phenom  X6  1100T lebih  unggul  dari  Intel  Core  I7  2600k.  Pada  L3, Intel  Core  I7  2600k  lebih  unggul  dari  Phenom  X6 1100T.  Selain  dari  kapasitasnya,  dapat  dilihat  juga pada  pembahasan  sebelumnya  yaitu  dari  aspek acces  time dan hit  rate .  Dapat  dilihat  bahwa keduanya memiliki kelebihan masing-masing.

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN
AAT  didapat  dari  lamanya  akses  waktu  yang dibutuhkan  untuk  melakukan  satu  kali hit untuk setiap  level cache .  Menurut  referensi  [10] , parameter  yang  digunakan  untuk  melakukan penghitungan ini adalah  jumlah  level cache , access time untuk  setiap level  cache , miss  rate ,  dan  main memori.  Berikut  merupakan  analisis  perhitungan average access time untuk  Intel Core  I7 2600k dan Phenom X6 1100T. Berdasarkan proses perhitungan seperti Gambar 6, dapat kita lihat bahwa AAT yang dimiliki kedua prosesor adalah 1,526 ns untuk Intel Core  I7  2600k  dan  1,309  ns  untuk  Phenom  X6 1100T seperti ditunjukkan Gambar 7.
Gambar 6. Analisis AAT pada prosesor
85% 90% 95% 100% 105% 1 2 3 HIT RATE Intel Core I7 2600k Phenom X6 1100T 0% 5% 10% 1 2 3 MISS RATE Intel Core I7 2600k Phenom X6 1100T

## Gambar 7. AAT Intel Core I7 2600k vs. Phenom X6 1100T
Pada  saat  komputer  memproses  suatu  instruksi, semakin  cepat  AAT  suatu  prosesor  maka  semakin sedikit waktu yang diperlukan untuk menyelesaikan instruksi.  Berdasarkan  perbandingan  AAT  pada Gambar  7  dapat  dilihat  bahwa  AAT  untuk  Intel Core  I7  2600k  lebih  besar  dibandingkan  dengan AAT Phenom X6 1100T. Atinya Phenom X6 1100T dapat  melakukan  pemrosesan  data  lebih  cepat    jika dibandingkan Intel Core I7 2600k.

## IV. K ESIMPULAN
Analisis  perbandingan  performa  AAT  pada prosesor  komputer  telah  dibahas  pada  makalah  ini. Dari  hasil  perhitungan  yang  dilakukan,  dapat disimpulkan  bahwa  prosesor  Phenom  X6  1100T memiliki  performa  lebih  baik  dari  sisi  AAT  jika dibandingkan dengan prosesor Intel Core I7 2600K. Hal  ini  dapat  dlihat  dari  AAT  kedua  prosesor tersebut  yang  menunjukan  bahwa  prosesor  Phenom X6  1100T  memiliki  AAT  lebih  sedikit  yaitu  1,309 ns  dibanding  prosesor  Intel  Core  I7  2600K  yang memiliki  AAT  1,526  ns.  Hasil  perhitungan  yang dilakukan terbatas hanya untuk mengetahui performa  prosessor  dari  sisi  AAT  dari  memori caching saja.  Untuk  mengetahui  prosesor  mana yang  lebih  unggul  diperlukan  penelitian  lanjutan seperti analisis aspek disk caching .

## R EFERENSI
[1] M.  W.  Ahmed  and  M.  A.  Shah “Cache  Memory:
An Analysis on Optimization Techniques,”
International Journal of Computer and Information Technology , vol. 04, no. 02, 2015.
[2] X.  Ding  and  K.  Wang,  “ULCC:  A  User-Level Facility  for  Optimizing  Shared  Cache  Performance on Multicores,” ACM sigplan notices , vol. 46, no. 8, ACM, 2011.
[3] M.  Hill  and  M.  R.  Marty,  “Amdahl's  Law  in  the Multicore Era,” Computer , vol. 41, pp. 33-38, 2008.
[4] T.  Wada,  S.  Rajan,  and  S.  A.  Przybylski,  “An analytical  access  time  model  for  on-chip  cache memories,” Solid-State Circuits, IEEE Journal , pp. 1147-1156, 1992.
[5] J.  S.  Yadav,  M.  Yadav,  and  A.  Jain,  “Cache Memory  Optimization,” International  Conferences of  Scientific Research and Education , vol. 1, no. 6, pp. 1–7, 2013.
[6] H.  Dybdahl,  “Architectural  Techniques  to  Improve Cache  Utilization,” Diss.  PhD  Thesis,  Norwegian University of Science and Technology , 2007.
[7] J.  L.  Hennessy  and  D.  A.  Patterson, Computer Architecture a Quantitative Approach Fifth Edition , 2012.
[8] D.  Satish  and  S.  Manimala,  “Study  On  Cache Replacement Policies in Coherent Chip Multiprocessor  Systems  (CMPs),” International Journal for Technological Research in Engineering , vol. 5, no. 10, 2018.
[9] T.  M.  Chilimbi,  B.  Davidson,  and  J.  R.  Larus, “Cache-conscious  structure  definition,” ACM SIGPLAN , vol. 34, no. 5, pp. 13–24, 1999.
[10] S.  Przybylski,  M.  Horowitz,  and  J.  Hennessy, “Characteristics  of  Performance-Optimal  Multi- Level  Cache  Hierarchies,” ACM SIGARCH Computer Architecture News , vol. 17, no. 3, 1989.
[11] S.  Almakdi,  A.  W.  Alazeb,  and  M.  Alshehri, “Cache  Coherence  Mechanisms,” International Journal  of  Engineering  and Innovative  Technology (IJEIT) , vol. 4, no. 4, 2014.
1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Intel Core I7 2600k Phenom X6 1100T Average Access time