Pentium 4

Pentium 4 Willamette

Pentium 4 (произносится: Пентиум четыре) — x86-совместимый процессор, разработанный Intel. Микроархитектура процессора была полностью изменена, по сравнению с предыдущими поколениями процессоров. Новая микроархитектура получила новое название — NetBurst. Оригинальный Pentium 4 носил кодовое имя «Willamette», работал на частотах 1,4 и 1,5 ГГц и был анонсирован 20 ноября 2000 года (изначально анонс был запланирован на октябрь, однако дата анонса была перенесена) и предназначался для установки в разъём Socket 423. Первые процессоры, основанные на новой архитектуре, вызвали множество нареканий. Во-первых — это производительность, производительность Pentium 4 была ниже чем у Pentium III, работающего на частоте в 1,5 раза меньшей. Во-вторых, для работы нового процессора требовалась материнская плата, основанная на чипсете i850, которая стоили весьма недёшево. В-третьих, все материнские платы предназначались для работы с дорогой памятью Rambus (RDRAM). В-четвертых, для работы материнской платы требовалась замена блока питания, а иногда и корпуса.

Модели[править | править код]

За более чем 5 лет было выпущено множество ядер и моделей Pentium 4, основанных на них. Причем с выходом новой модели к названию процессора добавлялись либо новая буква, либо еще какие-нибудь цифры, а иногда и то, и другое; всё это существенно запутывает идентификацию конкретной модели.

Процессор Pentium 4 построен на совершенной новой архитектуре — NetBurst. Ниже приведены некоторые отличительные особенности оригинальной архитектуры NetBurst (некоторые из них в последующем были изменены).

Конвейер. Длина конвейера была увеличена до 20 шагов, то есть для завершения одной команды процессору требовалось 20 циклов. Данный шаг позволял значительно легче наращивать тактовую частоту, кроме того, в перспективе это позволяло значительно повысить быстродействие, но производительность в расчете на 1 МГц была меньше, чем у предыдущих процессоров. Отчасти этим объясняется низкая производительность Pentium 4, работающего на низких частотах. Так же в результате такого нововведения увеличилось и время ожидания.
Модуль предсказания переходов (ветвлений). Чтобы компенсировать недостатки применения длинного конвейера инженеры Intel улучшили схему предсказания ветвлений, в результате правильность перехода предсказывалась с вероятностью до 95 %.
Системная шина. В Pentium 4 используется совершенно новая 128-битная системная шина с двумя 64-битными линиями. Частота новой шины(FSB) составляет 100 МГц (у последних, тогда, моделей Pentium III она составляла 133 МГц), однако за счет передачи за 1 такт одновременно 4 пакетов (QPB — Quad Pumped Bus), эффективная частота шины составляла 400 МГц, а пропускная способность шины составляла 3200 Мб/с.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ или ALU). В АЛУ обрабатываются целочисленные команды. В новом процессоре АЛУ работает на удвоенной частоте ядра (у Pentium 4 1,5ГГц АЛУ работает на частоте 3 ГГц за счет использования обоих фронтов сигнала). Таким образом, некоторые инструкции выполняются за половину такта. В Pentium 4 используются два АЛУ.
Кэш-память первого уровня (L1). Как и прежде кэш L1 разделен на две части: для команд и для данных. В кэше теперь хранятся декодированные команды и располагаются в порядке их выполнения (технология Trace Cache), что увеличивает производительность.
Математический Сопроцессор (FPU). Математический сопроцессор содержит два модуля для операций с плавающей запятой. Но реальную вычислительную работу выполняет лишь один модуль — это операции сложения (FADD) и умножения (FMUL), второй модуль выполняет операции обмена между регистрами и памятью (FSTORE). Для процессора Pentium 4 1,4 ГГц сопроцессор обеспечивает производительность в 1,4 GFLOPS. К примеру, в процессорах Athlon используется сопроцессор, состоящий из трех модулей (один для операций типа FSTORE, два других для операций типа FADD и FMUL) и обеспечивающий производительность в 2 GFLOPS (для процессора Athlon 1 ГГц).
SIMD-расширения. В процессор Pentium 4 был добавлен новый набор SIMD-расширений (SSE2), который добавил 144 новые инструкции (68 целочисленных инструкций и 76 инструкций для вычислений с плавающей запятой).

В целом, архитектура была нацелена для работы на высоких частотах, где в полную силу смог бы заработать длинный конвейер.

Willamette[править | править код]

Впервые это ядро «засветилось» в роадмэпе (roadmap) Intel еще в 1998 году. Предполагалось, что оно должно прийти на смену Pentium II и покорить частоту 1 ГГц. Но процессоры на этом ядре были анонсированы только в 2000 году как Pentium 4. Выпущенные 20 ноября 2000 года, процессоры устанавливались в разъём Socket 423 и выпускались в корпусе тип FC-PGA2. Процессоры для Socket 423 не пользовались популярностью, так как Intel сразу заявила, что этот разъем является переходным, кроме того системы на базе Pentium 4 стоили очень дорого (сами процессоры в момент анонса стоили $644 и $819 за Pentium 4 1,4 и 1,5 ГГц соответственно). Так как процессор изготавливался с использованием 180 нм техпроцесса, то на кристалле удалось разместить лишь 256 Кбайт кэша L2. Большинство экспертов расценило 1,4 и 1,5 ГГц версии промежуточными — процессор Athlon набирал всё большую популярность, и превосходил по быстродействию Pentium III, а дальнейшее усовершенствование архитектуры Pentium III тогда было ещё не возможно. Терять свою долю рынка Intel не была намерена, поэтому она и выпустила эти процессоры («сырая» технология производства не позволила тогда выпустить более быстрые модели). Несмотря на непопулярность 1,4 и 1,5 ГГц версий, Intel 3 января 2001 года анонсирует 1,3 ГГц версию Pentium 4, которая стоила $409. В различных тестовых испытаниях эти процессоры проигрывали как Pentium III, так и Athlon`ам (а в некоторых случаях и Duron`ам), работавшим на более низких частотах. Однако уже в апреле 2001 года выходит Pentium 4 с частотой 1,7 ГГц, а в августе этого года выходит 2 ГГц версия, а так же «новые—старые» процессоры для Socket 478, который просуществовал более чем 2 года, в этом же месяце выходит новый чипсет от Intel (i845). Новый чипсет теперь поддерживал память стандарта PC133 SDRAM, что позволило значительно снизить цены на системы на базе Intel Pentium 4, однако использование данного типа памяти несколько уменьшало быстродействие (иногда весьма существенно) системы. Intel для увеличения продаж активно продвигала данный процессор — его рекламу можно было увидеть как по телевизору, так и в газетах/журналах. Продажи Pentium 4 увеличивались, процессор начинал пользоваться всё большей популярностью. Вскоре многие производители системной логики представили свои чипсеты для Pentium 4 с поддержкой памяти DDR SDRAM, а в начале 2002 года Intel выпускает свои чипсеты с поддержкой данного типа памяти. Процессор начинает замещать собой Pentium III, а по производительности он фактически сравнялся с Athlon`ом. Intel, державшая пальму первенстве в течение 16 лет, а затем довольно быстро потерявшая её, сейчас вновь начинает отвоёвывать своё. А начавшиеся проблемы с отсутствием производственных мощностей у AMD и выпуск Pentium 4 на ядре Northwood закрепили лидирующие позиции Intel, правда, ненадолго.

**Процессоры Pentium 4 на ядре Willamette**
Тактовая частота ядра (ГГц)	Дата анонса процессора для Socket 423	Начальная стоимость процессора ($)	Дата анонса процессора для Socket 478	Начальная стоимость процессора ($)
1,3	3 января 2001	409	—	?
1,4	20 ноября 2000	644	27 сентября 2001
1,5	20 ноября 2000	819	27 августа 2001
1,6	2 июля 2001	294
1,7	23 апреля 2001	352
1,8	2 июля 2001	562
1,9	27 августа 2001	375		375
2,0	27 августа 2001	562		562

Northwood[править | править код]

Первые процессоры на данном ядре анонсированы 7 августа 2001 года. Ядро мало чем отличается от своего предшественника, разве что использованием более совершенного тех процесса — 130 нм, что позволило разместить на кристалле 512Кб кэша L2 и снизить тепловыделение процессора. Переход на новый техпроцесс позволил ещё больше наращивать тактовую частоту (до 3,4ГГц). Чтобы отличать процессоры на ядре Northwood от аналогичных моделей на ядре Willamette, было решено в конце названия новых процессоров приписывать букву «A» (например Pentium 4 2,0A построен на ядре Northwood).

5 мая 2002 года Intel выпускает процессоры с ядром Northwood, в которых частота FSB составляла 133МГц (эффективная частота 533МГц), чтобы отличать от использующих шину 400МГц в конце названия новых процессоров приписывалась буква «B» (например, Pentium 4 2,4B построен на ядре Northwood, а частота FSB составляет 533МГц).

14 ноября 2002 года был выпущен процессор Pentium 4 3,06ГГц, который приобрёл поддержку Hyper-Threading (впервые используется в процессорах Xeon). Эта технология подразумевает под собой наличие двух логических (эмулированных) процессоров.

14 апреля 2003 года Intel выпускает процессоры с ядром Northwood, в которых частота FSB составляла 200МГц (эффективная частота 800МГц), чтобы отличать их от процессоров использующих шину 533 и 400 МГц в конце названия новых процессоров приписывалась буква «C» (например, Pentium 4 2,4C построен на ядре Northwood, а частота FSB составляет 800МГц). Все процессоры, использующие 800МГц шину, поддерживают технологию Hyper-Threading (вообще оказалось, что все процессоры на ядре Northwood поддерживают Hyper-Threading, однако, в первых моделях она была отключена).

Оверклокинг (разгон) ядра Northwood примечателен одной интересной деталью. Когда напряжение ядра повышалось до 1,7 В — процессор умирал. Это явление получило название «NDS» (Northwood Death Syndrome — смертельный синдром Northwood).

Prescott[править | править код]

Pentium 4 2,8E (Prescott)

2 февраля 2004 года был анонсирован ряд процессоров, построенных на новом ядре, носившее имя Prescott и так же построенное на архитектуре NetBurst. По сравнению с оригинальной архитектурой NetBurst в данном ядре были сделаны некоторые изменения:

Конвейер. В новом ядре был в 1,5 раза удлинен конвейер, теперь его глубина составляла 31 ступень (против 20 ступеней у Northwood). Сделано это было с целью дальнейшего увеличения частоты процессора.
Модуль предсказания переходов (ветвлений). Увеличение числа ступеней конвейера потребовало улучшение модуля предсказания переходов, так как в случае неправильного предсказания перехода конвейер обнулялся, и обработка данных начиналась сначала.
Кэш-память L1. В новом ядре был увеличен размер кэша L1 хранящего данные до 16 Кбайт. Размер кэша инструкций (Trace cache) остался прежним — 12 тысяч микроопераций.
SIMD-расширения. В ядро Prescott был добавлен новый набор инструкций (SSE3), состоящий из 13 новых инструкций.
Hyper-Threading. Технология Hyper-Threading также претерпела незначительные изменения. Было увеличено количество эксклюзивных ресурсов для каждого потока, и улучшилась поддержка HT с точки зрения набора процессорных инструкций.
В Prescott заложена поддержка набора команд аналогичного AMD x86-64, этот набор команд в Intel назвали EM64T. Правда, в первых процессорах на ядре Prescott модуль, отвечающий за эти команды, был отключен.
Дизайн ядра Prescott впервые был полностью автоматизирован. Компьютер сам выбирал как оптимальнее разместить тот или иной блок и как эти блоки соединить. Теоретически это должно сократить время на передачу данных между отдельными блоками.

Кроме всего прочего, новое ядро построено с использованием 90 нм техпроцесса, что позволило уменьшить TDP процессора и увеличить частотный потенциал нового ядра. А так же был увеличен объем кэша L2 до 1024 Кбайт (1 Мбайт).

После того как мир узнал, какой модернизации подверглась архитектура NetBurst, предполагалось, что новый процессор получит новое имя, вероятнее всего — Pentium 5. Однако, вопреки многим ожиданиям и прогнозам, этого не произошло.

2 февраля 2004 года были анонсированы модели с тактовыми частотами 2,8; 3,0; 3,2; 3,4 ГГц, у которых частота системной шины составляла 800 МГц. Чтобы отличать их от процессоров на ядре Northwood в конце названия этих процессоров была буква «E» (например, Pentium 4 3,0E — ядро Prescott, частота FSB — 800 МГц). В этот же день был выпущен процессор, тактовая частота которого составляла 2,8 ГГц, но он имел частоту FSB равной 533 МГц, также он не поддерживал Hyper-Threading. Чтобы отличить этот процессор от других, в конце названия этого процессора писали букву «A» (Pentium 4 2,8A). Все процессоры предназначались для Socket 478.

21 июня 2004 года были выпущены новые процессоры, основанные на ядре Prescott, продолжающие линейку процессоров E-серии. Эти процессоры выпускались в новом типе корпуса — FC-LGA4, он отличался от предыдущего поколения корпусов тем, что был лишен контактных ножек. Также новые процессоры устанавливаются в новый разъём — LGA775 (другие названия Socket T или Socket 775). Кроме того, новые процессоры использовали новую систему нумерации. Все выпущенные процессоры были отнесены к семейству Pentium 5x0. Были выпущены модели c номерами 520, 530, 540, 550, 560.

В августе 2004 были выпущены процессоры F-серии, у которых была активирована поддержка EM64T, ничем другим от своих предшественников они не отличались. Первоначально были доступны модели с частотами 3,2; 3,4; 3,6 ГГц. В них, почему-то, Intel использует старую систему обозначений (например, Pentium 4 3,4F).

В октябре 2004 были выпущены процессоры серии Pentium 5x0J, которые отличались от своих предшественников (процессоров серии 5x0) тем, что имели поддержку технологии под названием EDB (Execute Disabled Bit), иногда называемой XD Bit (eXecute Disable Bit).

В декабре 2004 года вышли процессоры серии 5x5, 5x5J и 5x9J. Процессоры продолжали линию процессоров A-серии (частота FSB 133МГц) для Socket 775, но процессоры с индексом «J» имели поддержку технологии EDB.

В мае—июне 2005 года вышли процессоры серии 5x1 и 5x6. Первые объединили в себе серии 5x0 и 5x0J, а вторые серии 5x5 и 5x5J.

**Сводная таблица процессоров Pentium 4 на ядре Prescott**
Серия	Частота ядра (ГГц)	Частота FSB (МГц)	Платформа	Используемые технологии	Дата выпуска
A	2,26—2,8	533	Socket 478	SSE3	2 февраля 2004
E	2,4—3,4	800	Socket 478	SSE3, HT	2 февраля 2004
F	3,2—3,8		Socket 775	SSE3, HT, EM64T	август 2004
5x0	2,8(520)—3,6(560)			SSE3, HT	21 июня 2004
5x0J	2,8(520J)—3,8(570J)			SSE3, HT, EDB	октябрь 2004
5x5	2,67(505); 2,93(515)	533		SSE3	декабрь 2004
5x5J	2,67(505J); 2,93(515J)			SSE3, EDB
5x9J	3,06(519J)			SSE3, EDB
5x6	2,67(506); 2,93(516)			SSE3, EDB, EM64T	июнь 2005
5x1	2,8(511)—3,8(571)	800		SSE3, HT, EDB, EM64T	21 мая 2005

Mobile Pentium 4[править | править код]

Первые версии Pentium 4 для ноутбуков и лэптопов были анонсированы 23 апреля 2002 года, были построены на ядре Northwood и носили имя Mobile Pentium 4-M. От настольных версий эти процессоры отличались заниженным напряжением питания (1,2—1,3 В) и поддержкой технологии SpeedStep. Частота системной шины у всех процессоров составляла 400 МГц. Были выпущены модели с частотами 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 1,9; 2,0; 2,2; 2,4; 2,5; 2,6, TDP у последней модели составляет 35 Вт.

В июне 2003 года были анонсированы процессоры Mobile Pentium 4, также построенные на ядре Northwood. Частота системной шины у этих процессоров составляла 533 МГц. Напряжение питания изменялось от 1,2 до 1,55 В. Были выпущены модели с частотами 2,4; 2,66; 2,8; 3,06; 3,2 ГГц, TDP у последней модели составлял 76 Вт (довольно много для мобильного процессора).

В июне 2004 года анонсированы процессоры Mobile Pentium 4, построенные на ядре Prescott. Это модификация ядра Prescott не поддерживала EDB и EM64T, но зато теперь мобильные процессоры обрели поддержку технологии HT. Частота системной шины составляла 533 МГц, а напряжение питания изменялось от 1,15 до 1,4 В. Как и прежде эти процессоры поддерживали технологию SpeedStep. Были выпущены модели Mobile Pentium 4 518, 532, 538, 548 и 552, TDP последнего составляет 88 Вт.

Prescott 2M[править | править код]

Первые слухи о новом ядре Prescott 2 появились в начале 2005 года. Предполагалось, что оно будет иметь 2 Мбайт кэша L2 и частоту FSB равную 266 МГц (эффективная частота 1066 МГц). Процессоры на основе этого ядра были анонсированы 21 февраля 2005. От ядра Prescott это ядро отличается только наличием 2 Мбайт кэш-памяти L2. Новые процессоры получили и новую маркировку: 6x0. 21 февраля 2005 года были анонсированы модели Pentium 4 630, 640, 650, 660 с частотами 3,0; 3,2; 3,4; 3,6 ГГц, позднее была представлена модель 670, работающая на частоте 3,8 ГГц.

14 ноября 2005 года вышла новая ревизия ядра (R0, предыдущая была N0). Процессоры, построенные на обновлённом ядре Prescott 2M, поддерживают технологию виртуализации Vanderpool (VT) и имеют индексы 662 (3,6 ГГц) и 672 (3,8 ГГц).

Cedar Mill[править | править код]

Анонс процессоров, построенных на новом ядре, запланирован на вторую половину января 2006. Ядро Cedar Mill представляет собой одноядерную модификацию ядра известного под кодовым именем Presler. Cedar Mill изготовлен с использованием новейшей 65 нм технологии. По сути, ядро представляет собой ядро Prescott 2M, даже не изменилась серия процессора: процессоры имеют маркировку вида 6x1, и не поддерживают технологию Vanderpool. Процессоры первоначально будут иметь частоту от 3,0 ГГц до 3,6 ГГц. Более подробно о причине выхода Cedar Mill рекомендуется читать здесь [1].

Ядро Cedar Mill является последним в линейке Pentium 4. Следующие поколения процессоров, в частности Conroe, будут продвигаться под новым брэндом, Intel Core.

Tejas, Jayhawk и другие[править | править код]

Intel возлагала на архитектуру NetBurst большие надежды. В 2001—2003 в роадмэпах Intel встречались такие ядра, как Tejas, который должен был использовать шину 1066 МГц и работать на частотах от 4,4 до 9,2 ГГц и должен был бы быть поступить в продажу во второй половине 2004 года и называться Pentium 6. Nehalem, как предполагалось, этот процессор должен был использовать системную шину 1200 МГц и работать на частотах свыше 10 ГГц, и должен был поступить в продажу в 2005 году. Jayhawk, процессор серии Xeon, который должен был иметь кэш L1 для данных объемом 24 Кб и для 16 тысяч микроопераций. Однако все эти процессоры в 2004 году были отменены.

Intel предполагала с помощью процессоров основанных на архитектуре NetBurst достичь частоты в 10ГГц, но, не дойдя и до 4 ГГц, эта архитектура столкнулась с неразрешимыми до сих пор (и похоже уже никогда) тепловыми проблемами. Данная проблема подтолкнула Intel к разработке новой архитектуры и к закрытию всех проектов по разработке ядер на архитектуре NetBurst.

При взгляде назад Pentium 4 оставляет двойственное впечатление. С одной стороны это были одни из самых популярных процессоров, его продвижение в СМИ, и, как следствие, огромная популярность у покупателей, позволили Intel надолго занять большую часть рынка. С другой стороны Pentium 4 имел не самую удачную архитектуру. Он так ни разу и не закрепил своё лидирующее положение в плане производительности, по уровню TDP (тепловыделение) он практически всегда проигрывал конкурентным процессорам AMD Athlon, впрочем также, как и по стоимости. А архитектура Pentium III, которую когда-то Intel посчитала менее перспективной, чем NetBurst вновь появилась в процессорах Pentium M.

Технические характеристики различных ядер[править | править код]

Данные относящиеся ко всем моделям[править | править код]

Разрядность регистров: 32
Разрядность внешней шины: 128

Willamette[править | править код]

Дата анонса первой модели: 20 ноября 2000 года
Тактовые частоты (ГГц): 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 1,9; 2,0
Эффективная частота системной шины (FSB) (МГц): 400
Размер кэша L1: 8Кбайт (для данных)+12 тысяч операций
Размер кэша L2(Кбайт): 256
Напряжение питания: 1,7 В или 1,75 В
Количество транзисторов (млн.): 42
Площадь кристалла (кв. мм): 217
Максимальное TDP (расчетное тепловыделение): 75,3 Вт
Техпроцесс (нм): 180
Разъём: Socket 423, позже Socket 478
Корпус: 423-контактный FC-PGA2 или 478-контактный mPGA
Поддерживаемые технологии: IA32, MMX, SSE, SSE2

Northwood[править | править код]

Дата анонса первой модели: 7 августа 2001 года
- Процессоры с частотой FSB равной 400МГц: 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,5; 2,6; 2,8
- Процессоры с частотой FSB равной 533МГц: 2,26; 2,4; 2,53; 2,67; 2,8; 3,06
- Процессоры с частотой FSB равной 800МГц: 2,4; 2,6; 2,8; 3,0; 3,2; 3,4
Эффективная частота системной шины (FSB) (МГц): 400, 533, 800
Размер кэша L1: 8Кбайт (для данных)+12 тысяч операций
Размер кэша L2(Кбайт): 512
Напряжение питания: 1,475—1,55 (в зависимости от модели)
Количество транзисторов (млн.): 55
Площадь кристалла (кв. мм): 146, позже 131
Максимальное TDP (расчетное тепловыделение): 89 Вт
Техпроцесс (нм): 130
Разъём: Socket 478
Корпус: 478-контактный mPGA
Поддерживаемые технологии: IA32, MMX, SSE, SSE2, HT (не все модели)

Prescott[править | править код]

Дата анонса первой модели: 2 февраля 2004 года
Тактовые частоты (ГГц): см. выше таблицу
Эффективная частота системной шины (FSB) (МГц): 533, 800
Размер кэша L1: 16Кбайт (для данных)+12 тысяч операций
Размер кэша L2(Кбайт): 1024
Номинальное напряжение питания: 1,4 В
Количество транзисторов (млн.): 125
Площадь кристалла (кв. мм): 81
Максимальное TDP: 115 Вт
Техпроцесс (нм): 90
Разъём: Socket 478, позже LGA775
Корпус: 478-контактный mPGA или 775-контактный FC-LGA4
Поддерживаемые технологии: IA32, MMX, SSE, SSE2, SSE3, HT, а также см. выше таблицу