Intel Pentium 4

Im März 2000 brachte Intel mit dem Pentium 4 1300 Mhz das erste Pentium 4-Modell auf den Markt. Man führte neue Sockel ein(anfangs den Sockel 423, später den Sockel 478 und neuerdings den Sockel 775 mit Chipsätzen die PCI-Express, DDR2-RAM und High-Definition-Audio unterstützen) und neben der MMX- und SSE-Technologie zusätzliche Befehlserweiterung (SSE2/später SSE3) ein.

 

Quad-Pumped Technologie

Intel NetBurst Mikroarchitektur

Intel 64Bit-Technologie (EMT64)

 

Intel Pentium 4 mit Willamette-Kern

Intel Pentium 4 mit Northwood-Kern

Intel Pentium 4C mit Northwood-Kern(800 FSB)

Intel Pentium 4 Extreme Edition

Intel Pentium 4 HT

Intel Pentium 4 mit Prescott-Kern

Intel Pentium 4 für Sockel 775 (5xx-Serie mit Prescott Kern)

Intel Pentium 4 6xx-Serie (Prescott 2M)

Technische Daten der Intel Pentium 4-Prozessoren

 

Der erste Pentium 4 (Codename: Willamette) war eine komplette Neuentwicklung von Intel. Die Frequenzen der Einstiegsmodelle lagen bei 1,4 und 1,5 GHz. Tatsächlich sollen Taktraten von bis zu 5 GHz möglich sein.
Die ersten Pentium 4-Prozessoren aus dem Jahre 2001! liefen mit einem Front Side Bus-Takt von 100 MHz, durch technische Tricks konnten aber pro FSB-Takt 4 Datenpackete übertragen werden ("quad-pumped"). Daher auch die marketing-technisch günstigere Bezeichnung "FSB400". Der Pentium 4 benutzte Anfangs den Prozessorsockel 423. Gehäuse und Netzteil müssen der ATX-Spezifikation Version 2.03 entsprechen, das Netzteil wird dabei über zwei zusätzliche Stecker mit dem Motherboard verbunden. Außerdem mußte das Gehäuse Halterungen für die P4 Kühlkörper/Lüfterkombination aufweisen. Der Umstieg auf den Northwood-Kern brachte eine Verdopplung des L2-Caches auf 512 kByte und eine Taktanhebung des Front-Side-Busses auf 133 MHz. Gleichzeitig wechselte Intel den Fertigungsprozess von 0,18 µm auf 0,13µm. Der Northwood-Nachfolger Prescott hat einen doppelt so großen L1-Daten- und einen auf 1 MByte verdoppelten L2-Cache sowie Verbesserungen in der Mikroarchitektur. Weiterhin reagiert er auf 13 neue Befehle (SSE3).

Mit dem Pentium 4 führte Intel auch einen erweiterten Überhitzungsschutz ein. Beim Pentium III führte eine ungenügende Kühlung des Prozessors zur sofortigen Notabschaltung. Beim Pentium 4 wird der Prozessortakt in 8 Stufen herunterregelt. Auf der untersten Stufe ist der Prozessor so niedrig getaktet, dass er keine aktive Kühlung mehr benötigt , ein Durchschmelzen des Kerns wird verhindert, der Rechner fällt aber nicht gleich komplett aus.

Quad-Pumped-Technologie

Intel führte mit dem Pentium 4 die Quad-Pumped-Technologie ein. Ein Computersystem läuft mit der Geschwindigkeit des Front-Side-Bus, standartmäßig 66, 100 oder 133 Mhz. Der Prozessor übermittelt pro Takt ein Datenpaket an die peripheren Komponenten, die Arbeitsgeschwindigkeit des Prozessors wurde also oft durch das Warten auf die Peripherie gebremst. AMD rüstete deshalb seine Athlon-Prozessoren mit einem DDR aus, in dem zwei Datenpakete gleichzeitig abgelegt werden konnten. Man bezifferte bei diesen Sytemen den FSB-Takt deshalb auf 200 (2*100 FSB) bzw. 266 Mhz (2*133) FSB. Intel führte beim Pentium 4 die Quad-Pumped-Technologie ein. Hier werden gleich vier Datenpakete abgelegt, so dass der Systemtakt bei 400 Mhz (4*100Mhz FSB ) liegt, bei späteren Modellen sogar bei 133 MHz (4*133MHz FSB) oder 200 Mhz (4*200MHz FSB).

Intel NetBurst Mikroarchitektur

Der Pentium 4 empfängt Befehle über seinen 64 bit breiten, ca. 200 MHz schnellen und 6,4 GB/s leistenden Systembus. Anschließend geht es durch den (bei Prescott-Kernen)1 MB großen, 8-fach assoziativen L2-Cache. Der Prefetcher analysiert die Befehle und aktiviert den BTB (Branch Target Buffer). Hier wird das ankommende Datenpaket analysiert und ermittelt, welche Daten in der Folge benötigt werden könnten. Das daraufhin erweiterte Befehlspaket wird durch den Befehls-Decoder geschickt, der die Befehle in für den Pentium 4 verständliche µOps übersetzt.

Da x86-Befehle komplex sein können und oft genug auch Schleifen auftreten, hat Intel auf den L1-Befehlscache vor dem Befehls-Decoder verzichtet und statt dessen den Execution Trace Cache hinter dem Befehls-Decoder eingeführt. Dieser arbeitet mit µOps, so dass beträchtlicher Decodier-Aufwand entfällt. Im Execution Trace Cache werden µOps, die teils von beachtlicher Länge sein können, neu geordnet, um sie in möglichst effizienter Anordnung durch die Rapid Execution Engine zu jagen.

Die korrekte Vorhersage von Verzweigungen ist ein wesentliches Element, um hohe Leistung sorgen zu ermöglichen. Je öfter der Prozessorkern unterbrochen wird bzw. die Pipeline komplett neu befüllt werden muss, um so mehr Zeit wird verschwendet. Dies ist umso bedeutender, als dass die Pipeline bis Northwood 20, bei Prescott-Kernen sogar 31 (allerdings weniger komplexe) Stufen hat. Nun wird auch klar, warum bi der Net-Burst-Architektur die Größe der Caches von entschedender Bedeutung ist: Im Falle missglückter Sprungvorhersagen soll die Pipeline schnellstmöglich wieder befüllt werden können. Dazu arbeitet der L1:Daten-Cache beim Prescottauch 8-fach assoziativ.

Hohe Taktfrequenzen erfordern lange Pipelines, damit die einzelnen Pipeline-Stufen möglichst einfach ausfallen. Deshalb musste Intel die Pipeline des Prescott auf 31 Stufen verlängern und schlägt damit den bisherigen Spitzenreiter Willamette bzw. Northwood mit seinen 20 Stufen um einiges.

Für die Nachfolge des Pentium 4 arbeitet man jedoch auf Varianten des Mobilprozessors Pentium M, dessen Geschichte sich bis zum P6-Kern des Pentium Pro zurückverfolgen lässt. Scheinbar hat sich die innovative NetBurst-Architektur des Pentium 4 als Sackgasse erwiesen, da die durch steigende Taktfrequenz entstehenden thermischen Probleme nicht in den Griff zu bekommen sind. Also werden auch die immer länger werdenden Pipelines und immer besser werdenden Sprungvorhersagen plötzlich sinnlos.Heutzutage setzt man eher auf eine Erhöhung der ausgeführten Instruktionen pro Taktzyklus.

Intel Pentium 4 mit Willamette-Kern für Sockel 423 (1300 - 1900 Mhz)

Die ersten Intel Pentium 4-Prozessoren erhielten den in 0,18µm-Technlogie hergestellt Willamette-Kern und kamen in Mainboards mit dem so genannten Sockel 423-Sockel zum Einsatz. Der L2-Cache war mit 256 KB nur halb so groß wie der des Pentium III-S-Prozessors. Da bereits die Pentium III-Prozessoren mit Tualatin-Kern in 0,13µm hergestellt wurden, ging man auch beim P4 bald zu dieser Technologie über. Leistungsmäßig enttäuschten die ersten Pentium 4-Modelle, was vor allem auf den knapp bemessenen L2-Cache und der im Vergleich zum AMD Athlon XP ineffektiven Chiparchitektur zurückzuführen war. Auch der Preis war ein Grund zu einem AMD-System zu wechseln. Neben dem Prozessor trieb der verwendete Rambus-Arbeitsspeicher den Anschaffungspreis für ein solches System in die Höhe. Deshalb konnte der Intel Pentium 4 auch bald in Kombination mit günstigen SD-RAM betrieben werden, was aber zu Performance-einbußen führte. Die letzten Modelle mit Williamette-Kern wurden zusätzlich für den Sockel 478 hergestellt.

Intel Pentium 4 mit Northwood-Kern für Sockel 478

Der Nachfolger des Willamette, der P4 mit Northwood-Kern wurde in der 0,13µm-Technologie hergestellt. Die Northwood-Prozessoren laufen im Sockel 478. Der neue Kern erlaubte eine weitere Steigerung der Taktraten. Mit 512 KB L2-Cache und dem von 400 auf 533 Mhz erhöhte Systemtakt(Front-Side-Bus (FSB)-Takt von 133 Mhz 4*133 Mhz = 533 Mhz) war ein deutlicher Performancegewinn zu verzeichnen. Pentium 4-Prozessoren mit dem Northwood-Kern gibt es als 400- und 533-FSB-Version, die 533er-Versionen tragen den Nameszusatz "B" (z.B. Pentium 4 2,53B). Mit der Einführung des DD-Ram-PC400 standen Systeme mit diesem Arbeitsspeicher der Leistungsfähigkeit von Rambussystemen in nichts nach.

Intel Pentium 4C mit Northwood-Kern(800 FSB)

Als bei 3,4 GHz und 95 Watt Wärmeabgabe die physikalischen Grenzen der 0,13µm-Technologie fast erreicht waren, erhöhte Intel den FSB auf 800 Mhz (4*200 Mhz = 800 Mhz, QuadPumped). Auch die anfangs wieder niedrigeren Taktrate wurden schrittweise erhöht, um den Northwood-Kern wieder mit maximaler Geschwindigkeit zu takten. Pentium 4 Prozessoren (Northwood) mit einem 800er FSB-Takt tragen, wenn sie einen Doppelgänger mit 533er FSB-Tackt haben die Namenserweiterung "C".

Intel Pentium Extreme Edition

 

Für High-End-Applikationen brachte Intel den Pentium 4 "Extreme Edition" auf den Markt. Der anfangs verwendete Kern trug den Namen Gallatin und war anfangs für den Xeon-Prozessor gedacht. Das Die fiel mit 178 Millionen Transistoren und 237 mm² sehr groß aus. Extreme Edition Prozessoren unterstützten Hyperthreading.

Eigentlich handelt es sich bei diesem Kern um einen Pentium 4 C, der zusätzlich noch einen 2 MB großer L3-Cache besaß. Die erste Extreme Edition enthielt keine SSE3-Befehlserweiterung.

Der letzte Single-Core Pentium EE erhielt dann noch den Prescott-Kern der Pentium 600-Reihe. Der Prozessor wurde mit 3730 MHz getacktet und unterstützte einen 100 MHZ FSB. Mit dem Erscheinen der Pentium D Modelle wechselte Intel dann auch mit der Extreme Edition zur Dual-Core Technologie. Im Gegensatz zu "normalen" Pentium D-Prozesssoren war bei den Kernen der Extrem Edition zusätzlich noch Hyperthreading aktiviert, das Betriebssystem erkannte somit 4 Prozessoren.

Intel Pentium 4 HT - Hyperthreading Technology

Das Hyper-Threading (HT) wurde im Intel Pentium 4 ab 3,06 GHz eingesetzt. Es ermöglicht dafür programmierter Software zwei anstatt eines Prozessors zu sehen. Die HT-Technologie ermöglicht mehrere Programme oder Anfragen des Computers gleichzeitig ohne Verzögerung auszuführen. Dabei soll sich die Leistung eines Computers um bis zu 25 Prozent steigern.

Vor der Installation einer Intel Pentium 4 HT CPU ist es dringend erforderlich, das Betriebsystem neu aufzuspielen, da ansonsten die 2 HT-Prozessoren nicht erkannt werden. Unterstützt wird das neue Hyperthreading nur ab Windows 2000/XP und Linux, alle anderen Betriebssysteme erkennen die CPU dann als "normalen" Prozessor.

Intel Pentium 4 mit Prescott-Kern

Am 1. Februar 2004 führte Intel einen neuen P4-Kern mit Codenamen Prescott ein. Der Kern wird zum ersten Mal in einem 90-Nanometer-Prozess gefertigt und stellt gleichzeitig eine größere Überarbeitung der Mikroarchitektur des Pentium 4 dar, die so weitreichend ist, dass einige Analysten überrascht waren, dass Intel diesen Prozessor nicht Pentium 5 nannte. Die ersten Prescotts wurden mit der gleichen Rate wie ein Northwood-Kern getacktet. Benchmarks zeigten, dass der Northwood etwas leistungsfähiger als der Prescott war, die Architektur des Prescott sollte allerdings weit höhere Taktraten erlauben, als sie mit dem am Ende seiner Lebenszeit angekommenen Northwood-Kern möglich waren. Nach der Einführung der Prescott-Prozessorkerne stellte man fest, daß sie etwa 45% mehr Abwärme pro Takt als der Northwood-Kern erzeugt, entsprechend negativ waren die Kommentare in der Fachpresse. Zusätzlich wurde auch ein Wechsel des Sockel-Typs (von Sockel 478 auf LGA775) vollzogen. Hauptgrund für die Einführung des neu pinlosen Sockels sind einerseits der geringere Widerstand der Metallnoppen-Kontakte und andererseits die Tauglichkeit für zukünftig höhere Kernspannungen. Bei den S775-Modellen des Prescott fällt im Vergleich zu den S478-Modellen insgesamt eine etwas höhere Wärmeentwicklung an, die nur mit den revidierten Boxed-Kühlern mit eingelegtem Kupferkern begegnet werden konnte. Diesem etwas besseren Kühlkonzept ist es zu verdanken, dass sich die Betriebstemperatur doch noch senken ließen. Spätere Überarbeitungen des Prozessors durch Intels Ingenieure sorgten bei späteren Modellen dafür, dass die Energieaufnahme und Wärmeabstrahlung sich wieder den Werten des Northwood-Kerns näherte. Bis zum Ende der Prescott-Ära blieb die Leistungsaufnahme aber immer sehr hoch, die letzten Prescotts mit 2 MB L2-Cache (600-Serie) sowie der Dual Core "Smithfield" (Pentium D bzw. Extreme Edition) gehörten zu den größten Energiefressern am Markt.

Der Prescott hat einen doppelt so großen L1-Daten- und einen auf 1 MByte verdoppelten L2-Cache sowie Verbesserungen in der Mikroarchitektur. Weiterhin reagiert er auf 13 neue Befehle (SSE3). Hohe Taktfrequenzen erfordern lange Pipelines, damit die einzelnen Pipeline-Stufen möglichst einfach ausfallen. Intel musste die Pipeline beim Prescott auf 31 Stufen verlängern und schlägt damit den bisherigen Spitzenreiter Willamette bzw. Northwood mit seinen 20 Stufen um einiges.

Intel Pentium 4 für Sockel 775 (5xx-Serie mit Prescott Kern)

Mit Einführung der LGA775-Prescotts stieg Intel auf ein neues Rating-basiertes Modellnummernschema um, in dem die Prescotts als Serie 5xx laufen (Celerons sind die 3xx-Serie, Pentium M und Extreme Edition gehören zur 7xx-Serie). Bei diesem Sockel is der Prozessor pinlos, die Pins liegem im Sockel. Das Die besitzt 125 Millionen Transistoren auf einer Fläche von 112 mm².

Der erste Pentium 4-Prozessor, der Intels Execute-Disable-Bit (XDBit) unterstützt, ist der mit 3,8 GHz getaktete 570J. XDBit ist eine von AMD im Rahmen eines Patentaustauschabkommens übernommene Technik, die beim Athlon 64 NX-Bit genannt wird. Auf diese Funktion weist der an die Typenbezeichnung angehängte J hin. Die Pentium 4-Prozessoren der 5xx-Serie besitzen keine Taktanpassung, der Prozessor läuft immer mit voller Taktung. AMD brachte zur gleichen Zeit schon Prozessoren mit Cool'n'Quiet auf den Markt.

Im August 2005 brachte dann Intel doch noch Prozessoren der Pentium 500-Serie und Celeron-Prozessoren der 300-Serie auf den Markt die 64bit-Technologie (EM64T) unterstützen. Erkennbar sind diese Prozessoren an den Prozessornummern 5X1, 5X6, 5X7 (Pentium) bzw. 3X1 und 3X6 (Celeron).

Intel 64Bit-Technologie (EMT64)

Als AMD seine AMD64-Technologie auf den Markt brachte und viele OEM-Hersteller damit zu einem Umstieg auf AMD-Systeme bewegen konnte, gingen fast alle Beobachter davon aus, dass AMD64 in Zukunft die bedeutendste 64-Bit-Architektur werden würde. Dies mußte auch Intel anerkennen und veröffentliche deshalb Prozessoren mit EM64T-Architektur (Extended Memory 64 Technology, auch bekannt als IA-32e). Intels eigene IA-64-Architektur ist für den Desktop-Einsatz zu teuer und hat noch immer mit einigen konzeptionellen Schwierigkeiten. Microsoft signalisiert außerdem, dass sie neben AMD64 keine weitere 64-Bit-Architektur auf dem Desktop unterstützen würden. Diese Entscheidung zwang Intel das erste Mal in der Firmengeschichte, Technologie des Hauptkonkurrenten AMD in ihren eigenen Produkten anzubieten. Bei EM64T handelt es sich um eine zum originalen AMD64 weitgehend kompatible Umsetzung der AMD64-Architektur in Intel-Prozessoren, gekürzt um AMD-spezifische Features wie Prefetching und 3DNow!, aber ergänzt um neue SSE3-Befehle. Ein weiterer wichtiger Unterschied ist die bei den gegenwärtig erhältlichen EM64T-Prozessoren fehlende IOMMU-Einheit. Dies führt dazu, dass bei EM64T anders als beim "echten" AMD64 keine direkten DMA-Zugriffe auf Speicherbereiche oberhalb von 4 GB möglich sind. Stattdessen muss der Betriebssystem-Kernel diese Fähigkeit in Software emulieren und die Daten zunächst in Puffer unterhalb der 4-GB-Grenze schreiben.

Intel hatte die AMD64-Architektur bereits vor einiger Zeit im Rahmen eines Lizenzaustausch-Abkommens mit AMD lizenziert, im Gegenzug darf AMD die Intel-Technologien SSE2 und SSE3 in ihre Prozessoren integrieren. Die ersten Prozessoren mit EM64T-Erweiterung waren Server-Prozessoren der Xeon-Reihe (Nocona).

Pentium 6x0-Serie mit EIST (Prescott 2M)

Die Pentium 6xx-Serie ist eine Weiterentwicklung der 5x1-Serie (mit EMT64). Diese Prozessoren erhielten ein neues Powermanagement. Auch der Prescott der 6. Serie wird weiterhin in der 0,09µm-Technologie hergestellt und der L1-Cache besitzt 16 KByte exklusiven achtfach-assoziativen Daten-Cache. Der l2-Cache wurde auf 2MB vergrößert. Das DIE besitzt nun 169 Millionen Transistoren auf einer Fläche von 135 mm² zum Einsatz. Das neue Powermanagement der Intel Pentium 4 600er-Serie ist das von den mobilen Prozessoren her bekannte EIST (Enhanced Intel SpeedStep Technologie). Wer gerne Energiekosten und Kühlungsaufwand bei geringer Systemaktivität reduzieren will, muss nur noch das Windows-Energieschema "Tragbar/Laptop" aktivieren. Nun sind Intel-Rechner in der Lage, die Taktrate sowie die CPU-Versorgungsspannung bei geringer Aufgabenlast dynamisch abzusenken und bei Bedarf wieder zu steigern.Verwenden Sie ein Hilfsprogramm wie etwa CPU-Z (dieses kann nach kurzer Suche über eine Suchmaschine wie Google kostenlos heruntergeladen werden), um die aktuelle Taktrate zu überprüfen. Bei allen Pentium-4-Modellen der 600-Serie wird Windows das Arbeitstempo bei Niedriglast nun auf 2,8 GHz absenken und erst bei höherer Aktivität dynamisch wieder steigern. Die Taktänderungen geschehen so schnell, dass der Anwender in der Praxis davon keine Notiz nimmt.

Pentium 6x1- Serie(Cedar Mill)

Mitte 2006 wurden dann nochmals verbesserte Prozessoren, erstmalig in 65nm gefertigt, eingeführt. Der 65-nm-Chip arbeitet zwar keine Spur schneller als die heute verfügbaren Modelle, reduziert die Verlustleistung aber beträchtlich.Am wichtigsten ist, dass die Netburst-Architektur technisch nicht verändert wurde. Grundsätzlich handelt es sich bei Cedar Mill also um ein Shrinking des Designs, welches Intel beim Prescott verwendet. Allerdings hat Intel sehr wohl einige Modifikationen vorgesehen, die sich jedoch auf die Performance nicht direkt auswirkten. Zum Einsatz kamen zum ersten Mal so genannte Sleep Transistors. Bei Cedar Mill und Presler (der Dual Core, bestehend aus zwei Cedar Mill Dies) schalten sich nicht verwendete Transistoren automatisch ab. Besonders interessant ist dies für die Cache-Bereiche, denn bei 2 MB L2-Cache werden die meisten der 169 Millionen Transistoren hierfür verwendet. Technisch wäre die Verwendung der Sleep Transistors bereits im 90-nm-Design denkbar gewesen, doch hätte dies zu einer spürbaren Vergrößerung des Mikrochips geführt. Nach der Aktivierung von EIST (Enhanced Intel SpeedStep Technologie) im BIOS verhält sich der 65-nm-Chip genauso wie sein 90-nm-Bruder.

Technische Daten der einzelnen Modelle:

Quellen:
http://balusc.nl/xs4all.php
http://www.computerlexikon.com
http://www.elektronik-kompendium.de
http://www.intel.com
http://www.kublikon.de/lexikon/html/h.html
http://www.pc-erfahrung.de
http://de.wikipedia.org/wiki/Pentium_4

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Intel Desktopprozessoren:
Intel 486
Pentium I
Pentium II
Pentium III
Pentium 4
Pentium D
Celeron

Intel Serverprozessoren:
Xeon
Itanium

Intel Mobilprozessoren:   
Mobile Pentium,
Pentium III M,
Pentium 4 M
Pentium M - Centrino
Mobile Celeron
Celeron M

 

 

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