Memory System

Memori merupakan tempat penyimpanan data pada suatu perangkat elektronik, misalnya komputer. Sistem merupakan sekumpulan atau suatu kesatuan yang terdiri dari komponen yang dihubungkan untuk mencapai suatu tujuan. Oleh karena itu sistem memori merupakan sekumpulan komponen-komponen yang dihubungkan untuk memudahkan aliran informasi atau data untuk membentuk fungsi sebagai tempat penyimpanan data agar dapat diproses.

Sistem memori terbentuk sebagai tempat berkumpulnya informasi dalam sistem komputer. Prosesor (atau biasa disebut dengan Central Processing Unit, atau CPU) mengakses seluruh data dari sistem memori untuk melakukan komputasi dan menyimpan hasilnya kembali pada memori. Memori selalu didefinisikan sebagai kumpulan dari tempat penyimpanan data yang setiap lokasi penyimpanannya memiliki alamat tersendiri berupa numerik yang dapat diakses dengan berbagai teknik pengaksesan.

Memori merupakan komponen penting kedua setelah prosesor. Secara ideal, memori seharusnya sangat cepat, besar, dan murah pengaksesannya. Namun kenyataannya tidak seperti demikian, memori sangat mahal dan belum cukup besar untuk menampung data yang sesuai dengan kebutuhan pada zaman canggih ini. Faktanya, pada zaman dulu, kemampuan prosesor jauh lebih lambat dan ketersediaan memori pada masa itu sudah cukup untuk memenuhi kebutuhan. Seiring dengan perkembangannya, perkembangan prosesor menjadi semakin cepat dan kapasitas memori terus bertambah seiring dengan kebutuhan. 

Namun apabila dibandingkan, kecepatan perkembangan dari prosesor untuk meningkatkan kecepatan pengolahan datanya lebih cepat dibandingkan dengan kecepatan pertambahan kapasitas memori. Hal tersebut terus berlanjut hingga zaman ini sehingga kecepatan prosesor lebih cepat dibandingkan dengan kapasitas memori yang dibutuhkan. Prosesor pada zaman sekarang memiliki kecepatan yang lebih tinggi, namun kapasitas memori tidak cukup besar dan cepat untuk mengiringi cepatnya prosesor.

Karakteristik Sistem Memori

Berikut adalah karakteristik dari sistem memori:

1. Volatilitas, yakni kebutuhan akan ada atau tidaknya daya listrik. Volatil artinya data akan hilang apabila tidak adanya masukan daya listrik contohnya RAM. Sedangkan Non-volatil artinya data akan tetap ada walaupun tidak ada masukan daya listrik contohnya ROM.
2. Mutabilitas, yakni kemampuan penyimpanan data berdasarkan operasi baca, tulis, atau baca dan tulis.
3. Aksesibilitas, yakni jenis-jenis pengaksesan yang dapat dilakukan seperti random access, sequential access, direct access, dan associative asccess.
4. Pengalamatan, yakni tipe pengalamatan untuk mengalokasikan data yang akan disimpan. Contohnya pengalamatan berdasarkan lokasi, file, atau content.
5. Kapasitas, yakni kemampuan penyimpan data untuk menampung jumlah data. Jenis kapasitas data terdiri dari raw dan density.
6. Kinerja, yakni terdiri dari latency dan throughput. Latency merupakan waktu tunggu untuk mengakses data yang berada dalam memori. Sedangkan throughput merupakan waktu rata mulai dari waktu akses sampai ketersampaian data sampai ke prosesor.
7. Pemakaian Energi, yakni jumlah energy yang dibutuhkan untuk memenuhi kebutuhan penyimpanan data.

Komponen Sistem Memori

Berikut adalah komponen dari sistem memori:

a. Main Memory

   Disebut juga sebagai Primary Memory, merupakan tempat penyimpanan utama yang mudah diakses oleh CPU. Contohnya antara lain RAM, ROM, dan CMOS. Main memory dapat diakses dengan cepat, acak, tapi mahal. Main memory lokasinya berdekatan dengan CPU. Memori jenis ini digunakan untuk menyimpan program dan data yang sedang dimanipulasi oleh CPU.

b. Secondary Memory

     Merupakan tempat penyimpanan sekunder data yang tersimpan tahan lama. Contohnya antara lain Floppy Disk dan Hard Disk. Secondary memory diakses dengan lambat, langsung, tapi biayanya murah. Lokasinya berjauhan dari CPU.

Permasalahan utama dari sistem memori antaral lain:

    a. Mikroprosesor bekerja dengan cepat dan membutuhkan memori yang besar.

    b. Memori bekerja lebih lambat daripada mikroprosesor.

Selain permasalahan di atas, terdapat juga fakta dari sistem memori, antara lain:

    a. Semakin besar memori maka semakin lambat juga pengaksesannya.

    b. Semakin cepat pengaksesan ke memori maka semakin mahal juga biayanya.

Dengan permasalahan di atas, solusinya yaitu dengan cara membangun tingkatan atau hierarki memori. Pengaksesan ke main memory tidak dilakukan secara terus-menerus akan tetapi dibagikan penyebarannya ke tingkatan memori yang lebih rendah misalnya cache.

Hierarki Memory

Terdapat hierarki memori untuk memecahkan permasalahan sistem memori yang tidak sesuai dengan kecepatan mikroprosesor. Hierarki tersebut antara lain:

   a. Register

   b. Cache

   c. Main Memory

   d. Magnetic Disk

   e. Magnetic Tape dan Optical Disk

Gambar 1. Hirarki/ Tingkatan Memory

Mulai dari register sampai ke ukuran memori paling besar, perbedaannya terletak pada kapasitas, lamanya waktu akses, dan biaya yang dibutuhkan. Dapat dilihat pada gambar di atas, semakin ke bawah, kapasistas memori akan semakin besar namun lama waktu aksesnya pun akan besar pula. Sebaliknya semakin ke atas, biaya yang dibutuhkan untuk melakukan pengaksesan akan lebih mahal. Kunci keberhasilan teknik ini bergantung pada persebaran data dan instruksi yang berjalan pada tingkatan memori.

Register

Sebuah tempat penyimpanan yang lokasinya di dalam CPU digunakan untuk penyimpanan sementara dari sejumlah data kecil yang sedang diproses.

Register merupakan komponen tempat melakukan berbagai macam perhitungan. Register terbagi dalam berbagai kelas:

1. Register Data, digunakan untuk menyimpan angka-angka dalam bilangan bulat (integer)
2. Register Alamat, digunakan untuk menyimpan alamat dan mengakses memori
3. Regiser General Purpose, digunakan untuk menyimpan angka dan alamat sekaligus
4. Register Floating-Point, digunakan untuk menyimpan angka bilangan titik mengambang ( floating-point )
5. Register Konstanta, digunakan untuk menyimpan angka-angka tetap yang hanya dapat dibaca ( bersifat read-only )
6. Register Vektor, digunakan untuk menyimpan hasil pemrosesan vektor yang dilakukan oleh prosesor SIMD ( Single Instruction, Multiple Data )
7. Register Special Purpose, digunakan untuk menyimpan data internal prosesor
8. Register Spesifik, digunakan untuk menyimpan data atau pengaturan yang berkaitan dengan prosesor itu sendiri.

Cache Memory

Tempat penyimpanan yang kecil dan sangat cepat yang menyimpan tiruan informasi terakhir dari main memory. Cache bekerja secara otomatis mengatur penyimpanan nilai dan beroperasi secara kasat mata dari programmer. Cache dapat mengurangi waktu tunggu yang dihabiskan ketika akan mengambil data ke main memory.

Gambar 2. Hubungan Cache, Main Memory, dan Processor

Ukuran cache lebih kecil daripada main memory dengan perbandingan satuan ukuran Kb dan Mb. Terdapat dua jenis cara kerja cache:

1. Temporal locality, yaitu cache bekerja secara lokal terhadap waktu. Apabila suatu data memiliki referensi maka akan dipanggil lagi pada waktu yang berdekatan.
2. Spacial locality, cache bekerja secara lokal terhadap pengalamatan. Apabila suatu data memiliki referensi maka akan dipanggil lagi pada pengaksesan alamat yang sama.

Semakin besar cache maka semakin baik kinerja prosesor, namun tidak selamanya baik karena semakin besar cache maka semakin lama juga mengambil informasi dari cache.

Cache hit merupakan sebutan untuk pencarian data oleh prosesor yang berhasil ditemukan di dalam cache. Sedangkan cache miss merupakan sebutan untuk pencarian data oleh prosesor yang gagal ditemukan di dalam cache sehingga harus mencarinya lagi di dalam RAM. Cache hit rate merupakan persentase hits dari keseluruhan perintaan cache sehingga semakin besar nilai hit rate nya maka semakin baik kinerjanya.

Pada satu CPU dapat terdapat lebih dari jenis cache, berikut jenis-jenis cache secara umum:

1. Cache Level 1 : Cache level pertama merupakan cache yang menempel pada prosesor. Cache ini digunakan secara langsung oleh prosesor. Data pada cache ini merupakan data yang paling penting dan paling sering diakses.
2. Cache Level 2 : Cache level kedua merupakan cache yang terpisah dengan prosesor. Cache ini berukuran lebih besar daripada cache level pertama.
3. Cache Level 3 : Cache level ketiga merupakan cache yang menyatukan data yang berasal dari berbagai prosesor.

Arsitektur Cache

     Berikut arsitektur cache dari berbagai prosesor:

1. Intel Atom

    - 8Kb cache tunggal pada chip

    - Ukuran baris: 16 bytes

2. Pentium

    - Dua cache pada chip untuk data dan instruksi

    - Setiap cache: 8 Kbytes

    - Ukuran baris: 32 bytes

3. PowerPC 601

    - Cache tunggal pada chip dengan ukuran 32Kbytes

    - Ukuran baris: 32 bytes

4. PowerPC 603

    - Dua cache pada chip untuk data dan instruksi

    - Setiap cache: 8 Kbytes

    - Ukuran baris: 32 bytes

5. PowerPC 604

    - Dua cache pada chip untuk data dan instruksi

    - Setiap cache: 16 Kbytes

    - Ukuran baris: 32 bytes

6. PowerPC 620

    - Dua cache pada chip untuk data dan instruksi

    - Setiap cache: 32 Kbytes

    - Ukuran baris: 64 bytes

7. Intel Atom

    - Cache Level 2 (512Kb – 1Mb)

8. Intel Celeron

    - Cache Level 2 (0Kb – 1Mb)

9. Intel Pentium Pro

    - Cache Level 2 (256Kb, 512Kb, 1024Kb)

10. Intel Pentium III

    - Cache Level 2 (256Kb – 512Kb)

Main Memory

Main memory merupakan komponen yang menjaga data dan informasi ketika komputer sedang bekerja. Ketika tidak ada daya pada komputer, informasi yang tersimpan bisa hilang juga.

Terdapat dua macam main memory yang umum digunakan yaitu:

a. RAM : Singkatan dari Random Access Memory, merupakan tempat penyimpanan data dan program yang sedang dikerjakan oleh CPU.

b. ROM : Singkatan dari Read Only Memory. Memori ini bertugas untuk menyimpan program yang sifatnya tetap atau permanen dan tidak tergantung pada keberadaan arus listrik contohnya BIOS.

Berikut perbedaan antara RAM dan ROM:

ROM : 

Non-volatil – Data tidak akan hilang bila CPU mati

Data tersimpan permanen – Tidak dapat diubah

Data hanya dapat dibaca

RAM :

Volitile - Data akan hilang bila CPU mati

Data tersimpan sementara – Data aka nada selama komputer menyala dan dapat diubah

Data dapat dibaca dan ditulis

Operasi Hibernate merupakan operasi yang menyimpan semua kegiatan yang sedang dilakukan pada RAM kemudian menyimpannya pada hard disk atau memori non-volatil lainnya dan mematikan komputer. Ketika kembali ke mode asalnya, booting komputer akan lebih cepat daripada booting normalnya. Metode ini tidak membutuhkan konsumsi listrik ketika komputer dimatikan.

Sedangkan operasi Sleep pada dasarnya yaitu mematikan komputer kecuali komponen RAM sehingga pada saat kembali dinyalakan, komputer akan booting sangat cepat. Namun metode ini menghabiskan konsumsi listrik baterai.

Partisi Memori

Partisi memori merupakan istilah yang digunakan untuk emmbagi ukuran hard disk secara logical menjadi beberapa bagian. Berbeda dengan melakukan format terhadap hard disk yang

merupakan proses insialisasi dan pemberian file system sehingga hard disk dapat digunakan oleh sistem operasi.

Terdapat dua jenis partisi yang ada pada umumnya yaitu MBR (Master Boot Record) dan GPT (GUID Partition Table). Partisi MBR hanya memungkinkan maksimal tiga partisi utama. Berikut adalah pembagian untuk partisi MBR.

1. Primary Partition

Primary partition merupakan partisi yang digunakan untuk melakukan proses booting sistem operasi dan menyimpan data pengguna. Maksimal hanya disediakan empat buah dalam satu hard disk.

2. Extended Partition

Extended partition merupakan partisi yang menjadi kontainer yang menyediakan ruang untuk satu atau lebih partisi logis.

3. Logical Partition

Logical partition merupakan partisi yang khusus digunakan untuk menyimpan data pengguna dan tidak dapat digunakan untuk proses booting sistem operasi. Jumlah partisinya tidak terbatas namun harus menginduk pada partisi tambahan.

Kelemahan partisi MBR dari keterbatasan partisi ini dapat ditutupi oleh partisi jenis GPT. Partisi jeins GPT ini berbasis disk. Partisi yang didukung oleh Microsoft ini mengakomodasi ukuran partisi disk sampai 18 Exabyte atau satu juta terabyte. Setiap GUID (ID unik) partisi berisi 36 karakter untuk memungkinkan nama yang dapat dibaca untuk dihubungkan dengan setiap partisi. Oleh karena itu, dengan GPT, dimungkinkan untuk membuat hingga 128 partisi per disk, yakni suatu keuntungan yang didapat daripada partisi jenis MBR.

Gambar 3. Perbandingan DDR1, DDR2, dan DDR3

SDR menjalankan 1 perintah per clock cycle, jika dibandingkan pada gambar 3 di atas, SDR memiliki 1-bit prefetch buffer. Selain itu, SDR bekerja pada clock frequency sebesar 100MHz.

DDR 1 menggunakan 2-bit prefetch buffer yang memiliki transfer rate 2 kali lebih cepat dibandingkan dengan SDR biasa pada umumnya. DDR 1 masih bekerja pada clock frequency untuk pemindahan data dari buffer ke data bus sebesar 100MHz, sama dengan clock frequency yang digunakan oleh SDR SDRAM.

DDR 2 menggunakan 4-bit prefetch buffer ,2 kali yang digunakan oleh DDR 1. Tidak hanya itu, DDR 2 juga menggunakan clock frequency 200MHz, sebesar 2 kali dari clock frequency DDR1. Kedua hal ini membuat DDR 2 dapat meningkatkan transfer rate sebesar 2 kali dari DDR 1.

Dan akhirnya, DDR 3 menggunakan 8-bit prefetch buffer ,2 kali yang digunakan oleh DDR 2, hal ini membuat DDR 3 dapat meningkatkan transfer rate sebesar 4 kali dari DDR 1.

Pada perkembangan masa kini, banyak produk baik dari DDR 1 hingga DDR 3 yang telah melebihi spesifikasi di atas. Bahkan, telah muncul DDR 4 pada tahun 2011 lalu dengan performansi yang lebih tinggi dari DDR 3, reliability yang lebih baik, namun daya yang dibutuhkan akan semakin sedikit.

Gambar 4. Perbandingan Kecepatan SDRAM terhadap DDR1 dan DDR2