Ez a lap egy ellenőrzött változata
| Pentium 4 | |
 | |
| Gyártás | 2000–2008[1] |
| Tervező | Intel |
| Gyártó | Intel |
| Max CPU órajel | 1,30GHz – 3,80 GHz |
| FSB sebességek | 400 MT/s – 1066 MT/s |
| Gyártás technológia méret | 180nm – 65 nm |
| Utasításkészlet | x86 (i386),x86-64, MMX,SSE,SSE2,SSE3 |
| Mikroarchitektúra | NetBurst |
| Magok száma | 1 |
| Magok nevei | Willamette Northwood Prescott Cedar Mill Gallatin XE |
| Tokozás | FCPGA (Socket 423), FC-mPGA2, FC-mPGA (Socket 478), FC-LGA4 (LGA 775) |
| Előd | Pentium III |
| Utód | Pentium D |
| A Pentium 4 weboldala | |
 AWikimédia Commons tartalmazPentium 4 témájú médiaállományokat. | |
APentium 4 azIntel egymagos, nagyteljesítményű, asztali és laptop gépekbe szántCPU-sorozata volt; aPentium III-at követte. A Pentium 4 típust az Intel 2000. november 20-án jelentette be,[2] és egészen 2008. augusztus 8-ig szállította.[3] Ez a processzortípus alapvetően egymagos, azx86 architektúrával kompatibilis, alapjául az Intel besorolása szerint hetedik generációs NetBurst mikroarchitektúra szolgál.
A Pentium 4 különböző változatai mellett a NetBurst mikroarchitektúrát a többmagosPentium D és a szerverekbe szántXeon processzorokban is alkalmazták.[4] Emellett az alacsony árúCeleron processzorok egy része is olyan Pentium 4-es, amelyben a másodszintűgyorsítótár(L2 cache) egy részét kikapcsolták.[5] A Pentium 4 sorozatba tartoznak még a 2005-ös Pentium Extreme Edition kétmagos processzorok is.
A Pentium 4 gyártása 2000-ben kezdődött. 2005 közepétől a kétmagos Pentium D processzor piaci megjelenésével a Pentium 4-esek ára csökkenni kezdett. 2006. június 27-én megjelentek azCore 2 Duo processzorcsalád első tagjai, amelyek felváltották a NetBurst architektúrájú processzorokat, és 2007. augusztus 8-án az Intel bejelentette, hogy (bizonyos határidőn belül) beszünteti ezek gyártását.[6]
A Pentium 4 CPU-k az újabb NetBurst mikroarchitektúrán alapulnak, amely jelentősen különbözött a korábbi,Pentium II ésPentium III processzorokban alkalmazott 1995-ösP6 mikroarchitektúrától. A NetBurst architektúrában a fő hangsúlyt azórajel növelése kapta; ez a felépítés az Intel állítása szerint megengedi az akár 10 GHz órajel használatát is, azonban melegedési-hűtési problémák miatt (különösen a Prescott-magos Pentium 4-nél) az órajelet 3,8 GHz-re korlátozták.[7] Az órajelfokozás egyik kulcseleme a hiper-futószalagos technológia(„Hyper-Pipelined Technology”) bevezetése volt, ez a gyakorlatban egy igen hosszú, a dekódoló fokozatok nélkül is 20 fokozatúfutószalag alkalmazását jelenti.A nagyon hosszú futószalag hatékonyságának növelése érdekében a Pentium 4 processzorokat olyan további speciális kiegészítőkkel látták el, mint aTrace Execution Cache (nyomkövető végrehajtási gyorsítótár),Enhanced Branch prediction (javított elágazás-előrejelzés), ésQuad Data Rate bus (négyszeres adatátviteli sebességű busz).
Az első,Willamette kódnevű Pentium 4-magok órajele 1,3 GHz-től 2 GHz-ig terjedt. Ezeknél nem volt megfigyelhető túlzott sebességnövekedés, sőt néhány esetben lassabbak voltak, mint a leggyorsabb Pentium III processzorok; az Intel a rákövetkező Pentium 4-magokban további teljesítménynövelő újításokat alkalmazott.
A Pentium 4-ben jelent meg a 400 MT/s(megatransfers per second) sebességűfront-side bus (FSB, memóriát és grafikát kiszolgáló busz). Ebben maga a busz 100 MHz-es sebességen működött, de négyszeres adatátvitelt biztosított. Összehasonlításképpen az AMD Athlon processzornál a kétszeres átvitelű FSB 100 vagy 133 MHz órajellel működött, így 200 vagy 266 MT/s sebességet érhetett el.A későbbi verziókban jelent meg a hiperszálas technológia (Hyper-Threading Technology, HTT), amely egy fizikai processzoron belül megengedi több végrehajtási szál futtatását egyidejűleg, ezáltal az egyetlen processzor látszólag két független processzorként működik (két logikai processzor). További sebességnövekedést jelentett a megnövelt L2 gyorsítótár.
A Pentium 4 CPU-k 144 újSIMD utasítást is kaptak, ez azSSE2 jelű utasításkészlet-kiterjesztés; aPrescott-magos Pentium 4s processzoroktól kezdve pedig megjelent ennekSSE3 jelű változata. Az SSE kiterjesztések a számítások, tranzakciók, a 3D grafika, a médiafeldolgozás és a játékok gyorsítására szolgálnak. Végül 2004-ben a Pentium 4 processzor eredetileg 32 bites x86 utasításkészletét kiterjesztették 64 bitesre, ez azx86-64 utasításkészlet.
A Pentium 4 processzorokatasztali számítógépek éslaptopok processzorainak szánták. A processzorok három különböző tokozásban kerültek forgalomba.
A koraiWillamette-magot tartalmazó processzorokat 2000 novemberétől 2004 elejéig forgalmazták. Ezek a processzorok aSocket 423 foglalatba illeszthető FCPGA tokozással készültek. A tokozás alapját egy szerves anyagból készült hordozólemez képezte(substrate), a csatlakozók, a lapka és a hőterelő borítás erre van építve. A hordozólemez mérete 53,3×53,3 mm,[8] ezen 423 csatlakozó tű található, aszimmetrikus kialakításban, így a foglalatba csak egy módon helyezhető. A foglalatZIF típusú. A processzorkristályt egy hőterelő burkolat fedi (integrated heat spreader, IHS). A hordozó alsó részén néhány felületszerelt elem található. Ez a foglalat-tokozás páros nem tette lehetővé a 2 GHz fölötti órajel használatát, ezért ezt a gyorsabb processzoroknál újabb típus váltotta fel.
A későbbiWillamette-, aNorthwood-, aGallatin-magot tartalmazó Pentium 4 Extreme Edition processzorok egy része, valamint a korai (2001-től 2005-ig)Prescott-magos processzorok már aSocket 478 foglalatba illeszkedő FC-mPGA2 tokozással készültek.[9] Ebben is megtalálható a hordozólemez és a hőterelő burkolat, a hordozón 478 csatlakozó tű található, a lemez mérete 35×35 mm.[10]
AGallatin-magot tartalmazó Pentium 4 Extreme Edition processzorok másik része, a későbbiPrescott-magos processzorok és a 2004 elejétől kibocsátottPrescott-2M- ésCedar Mill-alapú processzorok FC-LGA4 tokozásban jelentek meg, egészen 2007 őszéig. A tokozás felépítése hasonló az előzőekhez, megtalálható a hordozólemez és hőelvezető borítás. A lemez mérete 37,5×37,5 mm. A hordozólemez alsó részén 775 érintkező pont található – ezen a tokozáson az érintkezések nem tűk, hanem érintkezési pontok, a processzorfoglalatban vannak az érintkezőtüskék.[11]
ANorthwood-magos mobil processzorok egy részét FC-mPGA tokozással készítették. Ez abban különbözik a FC-mPGA2 tokozástól, hogy nincs rajta hőelvezető borítás.
A processzorok jelzései a hőterelő borításra kerültek, az ilyen borítás nélküli tokozásokon pedig a processzorkristály mellett két oldalon felragasztott matricákra. A processzorok jelölése tartalmazza a processzor megnevezését, alatta az órajel-frekvenciát, a gyorsítótárméretet, a buszsebességet és -feszültséget, valamint különböző sorozatszámokat. Az adatok gyakran egy 2Dpontmátrix jelölésben is szerepelnek.[12]
A Pentium 4 processzorok alapjául szolgáló NetBurst architektúra kifejlesztésének elsődleges célja a processzorok órajelének növelése volt. A NetBurst nem aPentium III processzorokban használtP6 mikroarchitektúra utódja vagy folytatása, hanem egy teljesen új elveken alapuló kialakítás; legfontosabb vonásai a hiper-futószalagos kialakítás és a mikroutasítások gyorsítótárazása a hagyományos utasítás-gyorsítótár használata helyett. A NetBurst architektúrájú processzorokALU-ja is lényegesen különbözik a többi architektúrában található ALU-któl.[13]
A futószalag húsz fokozatból áll:
(Hyper Pipelining)
AWillamette- ésNorthwood-magos Pentium 4 processzorokban 20 fokozatú futószalag van, míg aPrescott ésCedar Mill-magokra épülő processzorokban a futószalag már 31 fokozatú. Ebben nincsenek benne az utasítás-dekódolási fokozatok, mivel a mikroutasítás-gyorsítótár alkalmazása miatt a dekódolás a futószalagon kívül történik. Ez teszi lehetővé a rövidebb futószalagot, de az azonos gyártási technológiát használó processzorokhoz képest magasabb órajel használatát a Pentium 4 processzorokban. Például aCoppermine-alapú 180 nm-es technológiájú Pentium III processzorok maximális órajele 1333 MHz lehet, míg aWillamette-alapú Pentium 4 processzoroké elérheti a 2000 MHz-et is.[13]
A hosszú futószalagok legnagyobb hátránya az utasítás-végrehajtás fajlagos hatékonyságának csökkenése a rövidebb futószalagokhoz képest (egy ciklus alatt kevesebb utasítás hajtódik végre), valamint az utasítások helytelen végrehajtása esetén előálló komoly veszteségek (pl. feltételes elágazás rossz előrejelzése vagy gyorsítótár-találati hiba esetén).[13][14]
A rosszul előre jelzett elágazások hatásának minimalizálása érdekében a NetBurst architektúrán alapuló processzorokba az elődökhöz képest megnövelt méretű elágazás-előrejelző puffer(branch target buffer) és újabb előrejelző algoritmus került, ami az előrejelzés pontosságát jelentősen megnövelte – kb. 94%-ra – aWillamette-magokban. A rákövetkező magokban tovább javítottak az előrejelző mechanizmuson, tovább növelve az elágazás-előrejelzés pontosságát.[13][15]
(Execution Trace Cache)
A NetBurst architektúrán alapuló processzorok, akárcsak a modernx86-kompatibilis processzorok többsége, olyanCISC processzorok, amelyek belsőlegRISC magot tartalmaznak: a bonyolult x86 utasításokat végrehajtás előtt egy mechanizmus sokkal egyszerűbb belső utasítások (mikroutasítások) sorozatává alakítja át, és ez lehetővé teszi az utasítások gyorsabb végrehajtását. Azonban, mivel az x86 utasítások változó hosszúak és nem rendelkeznek egységes utasításformátummal, ezek dekódolása jelentős időráfordítással jár.[16]
Mindezek miatt a NetBurst architektúra fejlesztése során úgy határoztak, hogy lemondanak a tradicionális első szintű gyorsítótárakról (ami ebben az esetben x86 utasításokat tartalmazott volna), ehelyett a dekódolt mikroutasítás-sorozatok kerülnek a gyorsítótárba a végrehajtás feltételezett sorrendjében. Ez a fajta gyorsítótár-szervezés lehetővé tette a feltételes elágazások végrehajtására és az utasítás kiválasztásra fordított idő csökkentését.[17]
(Rapid Execution Engine)
Mivel a NetBurst architektúra alapvető célja a hatékonyság növelése volt magas órajel használatával, szükségessé vált az egész értékű (integer) utasítások végrehajtásának gyorsítása is. Ennek érdekében a NetBurst-alapú processzorokban az ALU több részegységre lett darabolva: egy „lassú ALU”integer műveletek nagy tömegét képes végrehajtani, és két „gyors ALU”, amelyek csak a legegyszerűbb műveleteket – pl. összeadás – tudják végrehajtani. A „gyors ALU” három lépésben hajtja végre a műveleteket: először az eredmény alacsony helyiértékű részét számolja ki, a következő lépésben a magas helyiértékű részt, végül kiszámítja az állapotbiteket.
A két „gyors ALU”, a kiszolgáló logika és a regisztertömb szinkronizálása a processzor órajelének minden fél ütemében megtörténik, tehát ezek az egységek gyakorlatilag kétszeres órajelen működnek. Ezek az egységek alkotják a gyorsított egész értékű utasítás-végrehajtási mechanizmust.
AWillamette- ésNorthwood-alapú processzorokban a „gyors ALU” egységek csak azokat az utasításokat képesek végrehajtani, amelyek az operandusokat az alacsonyabbtól a magasabb helyiértékű rész felé haladva dolgozzák fel. Ekkor az alacsonyabb helyiértékű rész eredménye fél órajelciklus alatt előáll, így az effektív késés fél órajel. AWillamette- ésNorthwood-alapú processzorokban nincs egész értékű szorzást és eltolásokat végző egység, ezeket a műveleteket más egységek végzik, pl. azMMX utasítás-végrehajtó.
APrescott-magon alapuló processzorokban és a későbbiekben már van egész értékű szorzó egység és a „gyors ALU”-k is képesek az eltolási műveletek elvégzésére; a „gyors ALU” által végrehajtott műveletek effektív késése azonban egy órajelciklusra nőtt.[18]
A Pentium 4 processzor rendelkezik egyReplay System (újrajátszó rendszer) elnevezésű, kevésbé ismert belső alrendszerrel, ami a mikroutasítások ismételt végrehajtását végzi.[14][19]
A magokban található ütemezők(scheduler) alapvető feladata annak eldöntése, hogy a mikroutasítások készen állnak-e a végrehajtásra, majd azok továbbítása a futószalagra. A futószalag szakaszainak nagy száma miatt az ütemezők már akkor kénytelenek átadni a mikroutasításokat a végrehajtó egységeknek, mielőtt még az előző mikroutasítások végrehajtása befejeződött volna. Ez biztosítja a végrehajtó egységek optimális kihasználtságát, és segít elkerülni a végrehajtási veszteségeket, de csak abban az esetben, ha a mikroutasítások végrehajtásához szükséges adatok a másodlagos gyorsítótárban vagy a regiszterfájlban vannak, illetve ha átadhatók a regiszterfájl kihagyásával.
A mikroutasítások készenlétének eldöntésekor az ütemezőnek ki kell számítania azon megelőző mikroutasítások végrehajtási idejét, amelyek a kérdéses mikroutasítás végrehajtásához szükséges adatokat előállítják. Amennyiben a végrehajtási idő még nincs előzetesen meghatározva, az ütemező a legrövidebb végrehajtási időt veszi alapul.
Ha az adatok rendelkezésre állásához szükséges idő becslése helyes volt, a mikroutasítás sikeresen végrehajtódik. Abban az esetben, ha az adatok nem állnak készen időben, az eredmény helyességének ellenőrzése sikertelen lesz. Ekkor az a mikroutasítás, amely sikertelen eredményt produkált, egy speciális sorba lesz beállítva(replay queue) és később újból az ütemezőhöz jut, ismételt végrehajtásra.
Annak ellenére, hogy a mikroutasítások ismételt végrehajtása csökkenti a hatékonyságot, a mikroutasítások hibás vagy sikertelen végrehajtása esetén a fenti mechanizmus használatával elkerülhető a futószalag leállítása és kiürítése, ami sokkal komolyabb veszteséget okozna.
Az Intel hivatalos terveiben 1998 októberében[20] jelent meg aWillamette kódnevű processzor, habár aWillamette név már1996-ban felbukkant a közleményekben.[21] Kidolgozása csak a Pentium Pro fejlesztésének lezárulása után kezdődött (aPentium Pro1995 végén jelent meg).
A 64 bitesMerced processzor kidolgozása során nehézségek merültek fel, fejlesztése erősen elhúzódott (1994-től csak 2001-re jutottak el a működő termékig); a Merced processzor hatékonysága azx86 utasítások végrehajtásában nem bizonyult kielégítőnek az általa felváltani kívánt processzorokhoz képest,[20] ezért volt szükség egy újabbIA-32 architektúrájú processzor létrehozására, amelyre az Intel, tervei szerint, aP6 architektúrájú processzorok utódjának szerepét oszthatja.
Az elképzelések szerint aWillamette 1998 második felében jelent volna meg, azonban számos fennakadás miatt bejelentését a 2000-es év végére halasztották.[22] 2000 februárjában az Intel Fejlesztői Fórumon (IDF Spring 2000) bemutattak egy számítógépet, benne egy 1,5 GHz órajelen működő processzort: ez egyWillamette processzor mérnöki mintája volt, ami aztán a „Pentium 4” megnevezést kapta.[23]
Az elsőWillamette-magon alapuló, sorozatban gyártott Pentium 4 processzorokat 2000. november 20-án jelentették be; ezek 180 nm-es technológiával készültek. A Pentium 4 család fejlődésének következő állomását aNorthwood-magon alapuló processzorok jelentették 2002 januárjában, ezek 130 nm-es technológiával készültek. 2004. február 2-án mutatták be az elsőPrescott-magot tartalmazó, 90 nm-es technológiával készült processzorokat. Az utolsó mag, amely a Pentium 4 processzorokba került, aCedar Mill volt: ez 65 nm-es technológiával készült.
Northwood- ésPrescott-magokat mobil Pentium 4 és Pentium 4-M processzorokba is építettek, amelyek tulajdonképpen csökkentett fogyasztású Pentium 4 processzorok. Az Intel az említett összes maggal szereltCeleron processzorokat is kibocsátott, ezeket alacsony árkategóriájú gépekbe szánták. A Celeron processzorok csökkentett méretű második szintű gyorsítótárral és alacsonyabb órajel-frekvenciájú rendszerbusszal szerelt Pentium 4 processzorok.
A különböző Pentium 4 modellek megjelenési ideje és a processzorok ára a megjelenéskor:
| órajel, GHz | 1,4 | 1,5 | 1,3 | 1,7 | 1,6 | 1,8 | 1,9 | 2 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| bejelentés ideje | 2000. | 2001. | ||||||
| november 20. | január 3. | április 23. | július 2. | augusztus 27. | ||||
| ár, $[24] | 644 | 819 | 409 | 352 | 294 | 562 | 375 | 562 |
| órajel, GHz | 2,2 | 2,4 | 2,266 | 2,533 | 2,5 | 2,6 | 2,666 | 2,8 | 3,066 | 3 | 3,20 | 3,4 | 3,6 | 3,8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| bejelentés ideje | 2002. | 2003. | 2004. | 2005. | ||||||||||
| január 7. | április 2. | május 6. | augusztus 26. | november 14. | április 14. | június 23. | február 2. | február 21. | május 26. | |||||
| ár, $[24] | 562 | 562 | 423 | 637 | 243 | 401 | 401 | 508 | 637 | 415 | 637 | 417 | 605 | 851 |
| órajel, GHz | 3,2 | 3,4 | 3,466 | 3,733 |
|---|---|---|---|---|
| bejelentés ideje | 2003.november 3. | 2004.február 2. | 2004.november 1. | 2005.február 21. |
| ár, $[24] | 999 | |||
| processzor | Pentium 4-M | Mobile Pentium 4 | |||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| órajel, GHz | 1,6 | 1,7 | 1,4 | 1,5 | 1,8 | 1,9 | 2 | 2,2 | 2,4 | 2,5 | 2,6 | 2,4 | 2,666 | 2,8 | 3,066 | 3,2 | 3,333 |
| bejelentés ideje | 2002. | 2003. | 2004. | ||||||||||||||
| március 4. | április 23. | június 24. | szeptember 16. | január 14. | április 16. | június 11. | szeptember 23. | szeptember 28. | |||||||||
| ár, $[24][25] | 392 | 496 | 198 | 268 | 637 | 431 | 637 | 562 | 562 | 562 | 562 | 185 | 220 | 275 | 417 | 653 | 262 |
A NetBurst mikroarchitektúra első megvalósítását célzóWillamette nevű projekt befejezése sokat késett. A projektet 1998-ban indították,[20] amikor az Intel még a Pentium II vonalat akarta továbbvinni. Ebben az időben aWillamette-magok órajele legfeljebb az 1 GHz-et érte el. Még a projekt befejezése előtt megjelentek aP6 mikroarchitektúrán alapulóPentium III processzorok, amelyek gyökeresen eltértek a NetBurst mikroarchitektúrától, ezért az Intel marketingrészlege úgy döntött, hogy a NetBurst architektúrát Pentium 4 néven fogja forgalmazni.[26]
2000. november 20-án az Intel bejelentette a Pentium 4 sorozat első processzorainak megjelenését. Ezek az újWillamette-magon alapultak, amely elveiben különbözött az előző processzortípusokban szereplő magoktól. A Pentium 4 processzorokba újabb rendszerbusz került, amelyek a buszfrekvencia négyszeresén képesek az adatok továbbítására(quad pumped bus), így a rendszerbusz-órajel effektív frekvenciája 400 MHz, miközben a fizikai frekvencia 100 MHz.[2][27]
AWillamette-magot tartalmazó processzorok 8 KiB gyorsítótárat tartalmaznak, a mikroutasítás-sorozatok gyorsítótára kb. 12 000 mikroutasítást képes egyszerre tárolni, a második szintű gyorsítótár mérete 256 KiB. A processzor 42 millió tranzisztort tartalmaz, a processzorlapka mérete 217 mm², ezt az akkoriban már kissé elavultnak számító technológia magyarázza: 180 nm-es processz, 6 rétegű alumínium összeköttetéssel. 2001 őszéig aWillamette-alapú processzorokSocket 423foglalatba illeszthetőFCPGA tokozással készültek (amely ebben az esetben egy OLGA –Organic Land Grid Array burkolatban levő IC, PGA hordozón).[28][29]
Az Intel már az első Pentium 4 processzorok megjelenése előtt úgy tervezte, hogy mind aWillamette-alapú processzorok, mind a Socket 423 foglalat csak 2001 közepéig marad a piacon, utána ezeket felváltják aNorthwood-magon alapuló processzorok és aSocket 478 foglalat, azonban különböző okok miatt – a 130 nm-es technológia bevezetése során jelentkező problémák, a tervezettnél jobb kihozatali arány aWillamette-magok gyártása során, és a már elkészült processzorokat is el kellett adni valahogy – a Northwood-alapú processzorok bejelentését 2002-re halasztották, és ezzel párhuzamosan 2001. augusztus 27-én megjelentették az FC-mPGA2 tokozású (Socket 478 foglalatba illeszkedő), továbbra isWillamette-magot tartalmazó processzorokat.[30][31][32]
AWillamette-alapú Pentium 4 processzorok órajele 1,3–2 GHz között lehetett, a rendszerbusz frekvenciája 400 MHz, a mag feszültsége modelltől függően 1,7–1,75 V, a maximális hőtermelés: 2 GHz-en 100 W.[28]
AWillamette kódnevet az oregoniWillamette völgy inspirálta, ahol az Intel több gyártólétesítménye is található.[33]
2002. január 7-én az Intel bejelentette az újNorthwood-magon alapuló Pentium 4 processzorait. Ezek aWillamette-magon alapultak, bennük az L2-es gyorsítótár méretét 512 KiB-ra növelték.[34] A Northwood-magos processzorok gyártása során újabb, 130 nm-es csíkszélességű,réz összeköttetéseket használóCMOS technológiát használtak, aminek köszönhetően sikerült a processzor lapkaméretét a tranzisztorszám növelése mellett tovább csökkenteni: a Northwood-magos processzorok B0 verziója 146 mm² felületű kristályon volt, a későbbi revíziókban a processzorlapka mérete 131 mm²-re csökkent. A Northwood-magos processzorok 55 millió tranzisztort tartalmaztak.[35]
ANorthwood-magos Pentium 4 processzorok órajele 1,6–3,4 GHz közötti, a rendszerbusz (FSB) frekvenciája 400, 533 vagy 800 MHz lehetett, modelltől függően. Az összesNorthwood-magos processzorSocket 478 típusú foglalatba illeszthető FC-mPGA2 tokozásban jelent meg, a processzormag üzemi feszültsége a különböző modellekben 1,475–1,55 V közé eshet, a disszipáció (hőveszteség) 134 W, 3,4 GHz-en.[29][31]
2002. november 14-én jelent meg a 3066 MHz-es Pentium 4 processzor, amely támogatta a virtuális többmagos működést, aHyper-Threading technológiát. Ez volt az egyetlen 533 MHz-es rendszerbusszal felszereltNorthwood-magos,Hyper-Threadinget támogató processzor; a továbbiakban ezt a technológiát a 2,4–3,4 GHz közötti órajelű, 800 MHz-es rendszerbusz-frekvenciájú processzorok támogatták.[36]
A Northwood-magos Pentium 4 processzorok jellemző tulajdonsága volt, hogy nem voltak képesek huzamosabb ideig emelt magfeszültségen dolgozni (a mag feszültségének emelése nagy terhelés mellett elterjedt fogás volt, növelte a működés stabilitását magas órajelen[37]). A mag feszültségének 1,7 V-ra emelése az elektromigráció és a fellépő magas helyi hőmérséklet miatt a processzor gyors tönkremeneteléhez vezetett, annak ellenére, hogy a csip egészének hőmérséklete eközben nem emelkedett észrevehetően. Ezt a jelenséget hívták „hirtelen Northwood-halál szindrómának”(sudden Northwood death syndrome), ami komolyan korlátozta aNorthwood-magos Pentium 4 processzorok túlhajtását.[38]
2004. február 2-án az Intel bejelentette az elsőPrescott-maggal szerelt Pentium 4 processzorait. Ez a mag is a NetBurst architektúrán alapult, de az, életciklusa során először, jelentős változásokon esett át.[39]
APrescott-mag legfontosabb eltérése az elődeitől a meghosszabbított futószalag: a fokozatok számát 20-ról 31-re növelték. Ez megnövelte a processzor frekvencia-potenciálját, ugyanakkor a hosszabb futószalag sokkal komolyabb veszteségeket okozhat az elágazások hibás előrejelzése esetén. Emiatt aPrescott-mag javított elágazás-előrejelző blokkot kapott, amely nagymértékben lecsökkentette a hibás előrejelzések számát. Ezen kívül azALU-t is felújították, egész értékű szorzóegység került bele, ami hiányzott aWillamette- ésNorthwood-magokból. Az elsőszintű adat-gyorsítótár méretét 8-ról 16 KiB-ra, a második szintű gyorsítótár méretét 512 KiB-ről 1 MiB-ra növelték.[40]
APrescott-magos Pentium 4 processzorok órajele 2,4–3,8 GHz közé eshetett, a rendszerbusz frekvenciája 533-tól 800 MHz-ig terjedhetett a különböző modellekben. A 2,8 GHz órajel alatti, asztali gépekbe való processzorokban ki volt kapcsolva a Hyper-Threading támogatása. Eleinte a Prescott-magos processzorokat (Socket 478-ba való) FC-mPGA2 tokozással gyártották, később azonbanLGA 775 foglalatba való FC-LGA4 tokozásra váltottak. A processzorok 125 millió tranzisztort tartalmaztak, 90 nm-es feszített szilíciumos(strained silicon) CMOS technológiával készültek, a lapka mérete 112 mm², a mag feszültsége 1,4–1,425 V közé eshetett.[40][41]
A keskenyebb csíkszélességű technológia ellenére a hőtermelést nem sikerült csökkenteni ezeknél a processzoroknál, pl. aNorthwood-magos Pentium 4 3000 tipikus hőtermelése 81,9 watt, aPrescott-magos Pentium 4 3000E (FC-mPGA2 tokozásban) hőtermelése 89 watt. A Prescott-alapú Pentium 4 processzorok maximális hőtermelése 151,13 W 3,8 GHz-es órajelen.[29]
APrescott-magban az utasításkészlet is bővült: megjelent benne azSSE3 utasításkészlet-bővítmény és azEM64T technológia támogatása, azaz a 64 bites üzemmód, mely utóbbi azonban a korai processzorokban ki volt kapcsolva. A Hyper-Threading technológiát tovább optimalizálták, így az SSE3-ba is kerültek a folyamatok szinkronizációjára vonatkozó utasítások.[42]
A NetBurst architektúrába bevitt változtatások eredményeképpen a Prescott-magos Pentium 4 processzorok teljesítménye változott aNorthwood-magos processzorokéhoz képest, de a használt kiterjesztésektől függően különböző mértékben: azokat az egyszálas alkalmazásokat, amelyek x87, MMX, SSE és SSE2 utasításokat használnak, aPrescott-magos processzorok lassabban hajtják végre, mint az elődök; azokat az alkalmazásokat azonban, amelyek kihasználják a többszálú működést vagy érzékenyek a L2 gyorsítótár méretére, az elődöknél gyorsabban futtatják.[15]
2005. február 20-án az Intel bemutatta a továbbfejlesztettPrescott-magon alapuló Pentium 4 processzorokat. Ez a mag mindössze abban különbözött az előzőtől, hogy az L2 gyorsítótár méretét 2 MiB-ra növelték benne, ezért aztán a „Prescott 2M” jelölést kapta. Az újabb magban a tranzisztorok száma 169 millióra, a processzorkristály felülete 135 mm²-re nőtt meg, a mag feszültsége nem változott (1,4–1,425 V maradt).
A Prescott 2M-magos processzorok FC-LGA4 tokozást kaptak, a rendszerbusz-frekvencia 800 MHz volt, támogatták a Hyper-Threading és EM64T technológiákat, órajelük 3–3,8 GHz között lehetett.[29]
Az Intel 2006. január 16-án mutatta be aCedar Mill-magon alapuló Pentium 4 processzorokat. Ez a mag volt a Pentium 4 processzorokban alkalmazott utolsó típus, lényegében egy újabb, 65 nm-es technológiával gyártott Prescott 2M-mag. Az új gyártási technológiának köszönhetően a mag felülete 81 mm²-re csökkent. ACedar Mill-magokban nem alkalmaztak jelentősebb felépítésbeli újításokat, azonban a processzorok fogyasztását csökkentették. ACedar Mill-magos Pentium 4 processzorokból 4 modell készült: a631 (3 GHz), a641 (3,2 GHz), a651 (3,4 GHz), és a661 (3,6 GHz). Mind a négy modell 800 MHz-es rendszerbusz-frekvenciával működik, LGA775 foglalatba illeszthető, támogatja a Hyper-Threading, EM64T, XD-bit technológiákat, a későbbi C1 és D0 revíziók(stepping) ezenfelül tartalmazták az energiamegtakarítást célzó EIST(Enhanced Intel SpeedStep Technology), C1E(Enhanced C1 state vagyEnhanced Halt State) és a túlhevülést megakadályozó TM2(Thermal Monitoring 2) technológiákat. A processzorok üzemi feszültsége 1,2–1,3375 V között lehet, a TDP értéke 86 watt a C1 és D1 revízióknál, a D0 revízióban ezt a mutatót 65 W-ra csökkentették.[43]
ACedar Mill-mag szolgált alapjául a kétmagos,Presler-magra épülőPentium D processzornak, ami nem egyetlen monolitikus kristályt tartalmaz, hanem kétCedar Mill processzorlapkát egymás mellett, ugyanazon a tartórészen és egy hőterelő borítás alatt.[44][45]
ACedar Mill-magon alapuló Pentium 4 processzorokat 2007. augusztus 8-ig gyártották, ekkor az Intel bejelentette, hogy beszünteti a NetBurst architektúrán alapuló processzorok gyártását.[46]
A „Cedar Mill” az oregoni Cedar Mill település nevéből származik, amelynek szomszédságában található az Intel Hillsboro-beli létesítménye.
2004 vége – 2005 eleje táján a tervek szerint aPrescott-magon alapuló asztali Pentium 4 processzorokat felváltotta volna aTejas-mag. ATejas-magot tartalmazó processzorok 90 nm-es technológiával készültek volna, tervezett jellemzőik: órajelük elérte volna a 4,4 GHz-et, a rendszerbusz sebessége 1066 MHz, L1 gyorsítótár mérete 24 KiB, javítottHyper-Threading támogatás. A tervek szerint 2005 végére a gyártási technológiát 65 nm-esre változtatják és a processzorok órajele ekkorra eléri a 9,2 GHz-et. A bevezetés időpontját állandóan elhalasztották, mert aPrescott-magok nem tudták elérni a 4 GHz órajelet sem, főleg a nagy hőtermelés miatt. Végül 2004. május 7-én az Intel bejelentette, hogy abbahagyja aTejas-magon végzett munkálatokat, és ezzel együtt a NetBurst technológia további fejlesztését is.[47]
Az Pentium 4 Extreme Edition processzorokat egy szűkebb felhasználói körnek – játékosoknak, rajongóknak – szánták, ezt a cég a 2003 szeptemberében tartottIntel Developer Forumon jelentette be, ahol 30–60 napon belülre ígérte ezek megjelenését:, és november 3-án valóban be is mutatta ezek első példányait. Az Extreme Edition legfőbb eltérése az „átlagos” Pentium 4 processzoroktól a magra integrált harmadik szintű gyorsítótár (L3 cache) és a magasabb órajel.[48] A bejelentés mindössze egy héttel előzte meg az AMD Athlon 64 és Athlon 64 FX processzorainak kibocsátását. A processzorok ára elég borsos volt (az indításkor 999 dollár), emiatt a kritikusok a kiadást „Expensive Edition” (drága kiadás) vagy „Extremely Expensive” (extrém drága), mások „Emergency Edition” (vészkiadás) gúnyneveken emlegették – a „vészkiadás” okai a találgatások szerint a Prescott-magos Pentium 4 processzorok késése volt és az a szándék, hogy csökkentsék az AMD bejelentésének súlyát.
A processzormag alapját a Xeon szerverprocesszorokban is alkalmazottGallatin-mag képezte, amely egy 2 MiB méretű harmadik szintű gyorsítótárral (L3 cache) bővített M0-s revíziójúNorthwood-mag, 237 mm² felületű szilíciumlapkán. AGallatin-magos P4EE processzorok 3,2—3,466 GHz órajelen működtek, a rendszerbusz frekvenciája a 3,466 GHz-es modelleknél 1066 MHz volt, az alacsonyabb órajelű (3,2 és 3,4 GHz) modelleknél 800 MHz. A magfeszültség 1,4—1,55 V közötti, a maximális hőleadás 3,466 GHz-es órajelen 125,59 W volt. Ezek a processzorok kezdetbenSocket 478 foglalatba illeszthető FC-mPGA2 tokozással jelentek meg, később áttértek FC-LGA4 (LGA 775 foglalat) tokozásra. AGallatin-magos processzorokból hiányzott a 64 bites utasításkészlet támogatása.[49]
2005. február 21-én az Intel bemutatta azExtreme Edition kiadás újabb tagját, egy Prescott 2M-magot tartalmazó és magasabb órajelen működő processzort. Ez a processzor FC-LGA4 tokozásban jelent meg, az LGA775-ös foglalattal ellátott alaplapokba volt illeszthető, órajele 3,733 GHz, a rendszerbusz frekvenciája 1066 MHz, üzemi feszültsége 1,4 V, maximális hőleadása 148,16 W.[50]
AzExtreme Edition kiadás következő fejlődési állomása a kétmagos Pentium XE processzor volt.
Az Intel ezzel egy új termékvonalat alapozott meg, ami bár nem járt magas eladási mutatókkal, mégis a piacon maradt a rajongói tábort célozva, mivel az Intel a legmagasabb specifikációkkal rendelkező, csúcskategóriás termékeit kínálta, és szabad utat engedett az órajel túlhajtásának, atuningnak is. Ez a piaci taktika aPentium D,Core 2 Extreme és újabban aCore i7 típusoknál is folytatódik.
A mobil Pentium 4 processzorokat hordozható eszközökbe szánták. Ezek a Pentium 4-esek aNortwood-magra épülnek, fő jellemzőjük az alacsony tápfeszültség és a kis hőtermelés, valamint az Intel SpeedStep energiatakarékossági technológiájának támogatása. A processzortest megengedett maximális hőmérsékletét ezeknél a típusoknál 100 °C-ra emelték – összehasonlításképpen az asztaliNorthwood-magos processzoroknál ez az érték 68–75 °C között van –, a mobil eszközökben, azaz leginkább a laptopokban uralkodó működési körülmények (kis légtér, kis hűtőbordák és gyengébb légáramlás) miatt.
APentium 4-M (a dokumentációbanMobile Intel Pentium 4 Processor-M) processzorok 400 MHz-es rendszerbusszal működnek együtt, a processzormag feszültsége 1,3 V, a hőtermelés legnagyobb értéke 48,78 W 2,666 GHz-es órajel mellett, a tipikus érték 35 W, csökkentett energiafelhasználási üzemmódban 13,69 W. A Pentium 4-M processzorok órajele 1,4-től 2,666 GHz-ig terjedhet.[51]
AMobile Pentium 4 (a dokumentációbanMobile Intel Pentium 4 Processor) processzorok lényegébenNorthwood- vagyPrescott-magos Pentium 4-esek; a Pentium 4-M processzorokénál magasabb órajeleken működnek: órajelük 2,4–től 3,466 GHz-ig terjedő tartományban lehet. Közülük néhány változat támogatta a Hyper-Threadinget is.
Az összes Mobile Pentium 4 processzor 533 MHz frekvenciájú rendszerbuszt támogat. A mag feszültsége 1,325—1,55 V, a maximális hőtermelés értéke 112 W 3,466 GHz-es órajel mellett, a tipikus érték 59,8 és 88 W közötti, csökkentett energiafelhasználási üzemmódban 34,06 és 53,68 W között van.[52]
Eredetileg a Pentium 4 processzorok kijelölt utódja a Tejas kódnevű processzor volt, amelyet 2005 első felében szándékoztak megjelentetni. Ennek fejlesztését azonban aPrescott-mag megjelenése után néhány hónappal beszüntették,[47] főleg a rendkívül magas TDP miatt (a Tejas hőkibocsátása 2,8 GHz órajelnél 150 W volt, szemben pl. a Northwood 80 W-os és a Prescott 100 W-os hőkibocsátásával, ugyanazon órajel mellett). Ezzel együtt a NetBurst architektúra fejlesztését is leállították,[53] néhány kivételtől eltekintve, mint a kétmagos Pentium D, Pentium Extreme Edition és aCedar Mill-magon alapuló Pentium 4 HT.[54]
2005 májusától kezdve az Intel elkezdte a kétmagos Pentium 4 processzorok kibocsátását,Pentium D és Pentium Extreme Edition nevek alatt. Ez azt jelezte, hogy az Intel elmozdul a párhuzamosság és a többmagos processzorok irányába. A processzorok 90 nm-es és 65 nm-es technológiával készült változatai aSmithfield ésPresler kódnevet kapták.[53]
A Pentium 4 valódi utódaivá végül a 2006. július 27-én kiadott, Core mikroarchitektúrán alapulóConroe-magosIntel Core 2 processzorok váltak.[55] Az Intel Core 2 processzorok egy-, két- és négymagos kiépítésben jelentek meg. Az egymagos processzorokat főleg az OEM piacra szánták, míg a két- és négymagos verziókat a nagykereskedelemben és OEM-eknek is árulták.[56]
A Pentium 4 processzorok vezető helyet foglaltak el az Intel termékpalettáján, 2000-es megjelenésüktől aPentium D 2005 májusi megjelenéséig. A Pentium 4-es processzorok a felsőbb árkategóriába tartoztak, áruk a Pentium D megjelenésével csökkent. Az Intel ezeket nemcsak általános célú processzorként reklámozta, hanem erős multimédiás processzorként is, amellyel a hang- és képfeldolgozó szoftverekben, játékokban és internetes alkalmazásokban a maximális teljesítmény érhető el.[13]
A megjelenést követő évben az Intel processzorok eladási listáit még mindig a Pentium III processzorok vezették[57] – ez a drága RDRAM memóriát igénylő Pentium 4-es rendszerek magas árával és az alternatíva hiányával magyarázható, mígnem 2001 őszén megjelent az Intel 845-ös lapkakészlet.[32] Az Intel agresszív piaci és marketingpolitikájának következményeképpen azonban változott a helyzet, és a Pentium 4 processzorok népszerűvé váltak. Az Intel piaci taktikái közé tartozott pl. árkedvezmény nyújtása a kizárólag Intel termékeket használó forgalmazóknak, a konkurens termékek forgalmazásáról való lemondásért járó díjazás,[58][59] és az Intel kezére játszott a konkurens AMD nem túl sikeres marketingje is.[60]Ugyancsak az Intelt segítette a „megahertz-mítosz” elterjedése[61] – az az állítás, hogy a magasabb órajelű processzorok gyorsabbak és nagyobb teljesítményűek –, ami még az Intel processzorok között sem igaz, de alkalmas a tapasztalatlan vásárlók megtévesztésére. Az AMD emiatt vezette be a teljesítmény-összehasonlítási teszteket az Athlon processzorok megjelenésekor.
Mindezek ellenére azAMD-nek sikerült nagyobb részesedést kiharcolnia a mikroprocesszor-piacon, főként azAthlon XP ésAthlon 64 processzorok révén, amelyek ára alacsonyabb, számítási teljesítménye pedig magasabb volt a Pentium 4 processzorokénál. Így 2000-től 2001 végéig az AMD részesedése azx86 architektúrájú mikroprocesszorok piacán kb. 18%-ról 22%-ra nőtt, miközben az Intel részesedése 82,2%-ról 78,7%-ra csökkent. Az AMD-nél fellépett problémák miatt piaci részesedésük 2002-ben 14%-ra csökkent, ezek megoldása után, a 2003-tól 2006-ig terjedő időszakban azonban 26%-ra emelkedett (miközben az Intel részesedése 73%-ra csökkent).[62]
A Pentium 4 processzorok mellett a következő x86-os processzorok voltak még a piacon:
A magas órajel-frekvenciákon működő Pentium 4 processzorok nagy energiafelvétele nagy hőkibocsátással jár. A Pentium 4 sorozat processzorainak maximális órajele 3,8 GHz, ezen az órajelen a tipikus hőkibocsátásuk 100 W, maximális: 150 W.[29][79] Ezeknek a processzoroknak azonban jobb védelmük van a túlhevülés ellen, mint a konkurenseiknek. Az Intel Thermal Monitor és a későbbi modellekben bevezetett Thermal Monitor 2 technológiák hatékonyan szabályozzák a hőleadást és védik a processzorokat a túlmelegedéstől. Ezt az órajel modulációjával, majd a Pentium 4 Prescott E0-s alverziótól kezdve a belső órajel-frekvencia és a magfeszültség csökkentésével érik el, végső soron pedig a processzor leállításával. A különböző processzorok túlhevülés elleni védelmének demonstrálására Thomas Pabst (a Tom’s Hardware technológiai portál alapítója) 2001-ben elvégzett egy kísérletet, amely felhívta a figyelmet a probléma fontosságára és a megoldások gyengeségeire,[80] azonban az eredmény nem meggyőző, mivel a vizsgálatot egy-egy darabon végezte, statisztikai áttekintést nem ad (nem is volt célja).
A NetBurst architektúra alapvetően a magas órajelen való működést célozza, ennek egyik érdekes következménye, hogy a Pentium 4 processzorok igen népszerűek lettek processzor-tuningoló(overclocker) körökben. Így pl. a Cedar Mill-magot tartalmazó processzorok képesek akár 7 GHz-et meghaladó órajelen működni, extrém hűtés, pl. folyékonynitrogén alkalmazása mellett,[81] és a korai Northwood-magos processzorok alaphelyzetű 100 MHz frekvenciájú rendszerbusz helyett megbízhatóan működtek 133 MHz-es és afölötti frekvencián is.[82]
| [29][83][84] | Willamette | Northwood | Gallatin | Prescott | Prescott 2M | Cedar Mill | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| asztali | asztali | mobil | asztali | mobil | asztali | ||||
| Órajel | |||||||||
| Mag, GHz | 1,3–2 | 1,6–3,4 | 1,4–3,2 | 3,2–3,466 | 2,4–3,8 | 2,8–3,333 | 2,8–3,8 | 3–3,6 | |
| FSB, MHz | 400 | 400, 533, 800 | 400, 533 | 800, 1066 | 533, 800, 1066 (EE) | 800 | |||
| A mag jellemzői | |||||||||
| Utasításkészlet | IA-32,MMX,SSE,SSE2 | IA-32,EM64T (bizonyos modellekben),MMX,SSE,SSE2,SSE3 | |||||||
| Aregiszterek mérete (bit) | 32/64 bit (egész), 80 bit (lebegőpontos), 64 bit (MMX), 128 bit (SSE) | ||||||||
| Afutószalag-fokozatok száma | 20 (utasításdekódoló fokozatok nélkül) | 31 (utasításdekódoló fokozatok nélkül) | |||||||
| A címbusz mérete (bit) | 36 bit | 40 bit | |||||||
| Az adatbusz mérete (bit) | 64 bit | ||||||||
| Hardveres előolvasás | van | ||||||||
| Atranzisztorok száma, millió | 42 | 55 | 178 | 125 | 188 | ||||
| L1 gyorsítótár | |||||||||
| Adatgyorsítótár | 8 KiB, 4-utas csoport-asszociatív, sorhossz – 64 byte, kétportoswrite-through | 16 KiB, 8-utas csoport-asszociatív, sorhossz – 64 byte, kétportoswrite-through | |||||||
| Utasítás-gyorsítótár | mikroutasítás-sorozat gyorsítótár, 12 000 mikroutasítás, 8-utas csoport-asszociatív, sorhossz – 6 mikroutasítás | ||||||||
| L2 gyorsítótár | |||||||||
| Méret, MiB | ¼ | ½ | 1 | 2 | |||||
| Frekvencia | magfrekvencia | ||||||||
| ABSB mérete | 256 bit + 32 bitECC | ||||||||
| Szervezés | egyesített, csoport-asszociatív, nemblokkoló, hibaellenőrzés-hibajavítás (ECC); sorhossz – 64 byte | ||||||||
| Asszociativitás | 8-utas | ||||||||
| L3 gyorsítótár | |||||||||
| Méret, MiB | nincs | 2 | nincs | ||||||
| Asszociativitás | 8-utas | ||||||||
| Sorhossz | 64 byte | ||||||||
| Interface | |||||||||
| Foglalat | Socket 423,Socket 478 | Socket 478 | Socket 478 | Socket 478,LGA 775 | Socket 478 | Socket 775 | |||
| Tokozás | FCPGA2, [FC-mPGA2 | FC-mPGA2 | FC-mPGA, FC-mPGA2 | FC-mPGA2, FC-LGA4 | FC-mPGA2, FC-mPGA4 | FC-LGA4 | |||
| Buszok | AGTL+ (a jelszint egyenlő a mag feszültségével) | ||||||||
| technológiai, elektromos és hőleadási jellemzők | |||||||||
| Gyártási technológia | 180 nmCMOS (ötrétegű, alumínium vezetőréteg) | 130 nm CMOS (hatrétegű, réz vezetőréteg, Low-Kdielektrikum) | 90 nm CMOS (hétrétegű, réz vezetőréteg, Low-K, nyújtott szilícium) | 65 nm CMOS (nyolcrétegű, réz vezetőréteg, Low-K, nyújtott szilícium) | |||||
| Lapkaméret, mm² | 217 | 146 (rev. B0) 131 (rev. C1, D1, M0) | 237 | 112 | 135 | 81 | |||
| Magfeszültség, V | 1,7–1,75 | 1,475–1,55 | 1,3–1,55 | 1,4–1,55 | 1,4–1,425 | 1,325 | 1,4–1,425 | 1,2–1,3375 | |
| Az I/O áramkörök feszültsége | magfeszültség | ||||||||
| Az L2 gyorsítótár feszültsége | |||||||||
| Max. hőleadás, W | 100 | 134 | 48,78 | 125,59 | 151,13 | 112 | 148,16 | 116,75 | |
Informatikai portál • összefoglaló, színes tartalomajánló lap