Процесор Pentium 4

Архітектура Р6 практично зжила себе, хоча, безперечно, для свого часу вона була істотним стрибком вперед. Але треба було рухатися далі, і в кінці листопада 2000 року Intel представила процесор Pentium 4 (кодова назва Willamette), архітектура NetBurst якого корінним чином відрізнялася від своєї попередниці Рб. Процесор Pentium 4 є 32-розрядним представником сімейства х86, по мікроархітектурі що належить до нового, сьомого (по класифікації Intel) покоління. З програмної точки зору він є процесором х86 в якому окрім підтримки інструкцій ММХ і SSE, що стали традиційними, додали ще 144 команди SSE2, орієнтовані, в першу чергу, на роботу з потоковими даними. По набору програмно-доступних регістрів Pentium 4 повторює процесор Pentium ІІІ. Із зовнішньої апаратної точки зору це процесор з системною шиною нового типа, в якій окрім підвищення тактової частоти застосували ті, що стали вже звичними принципи подвійної (2х) і чотирикратної (4х) синхронізації, а також зроблений ряд заходів по забезпеченню працездатності на раніше немислимих високих частотах. Мікроархітектура процесора, що одержала назву NetBurst, розроблена з урахуванням високих частот як ядра (1,4 ГГц спершу), так і системної шини (400 Мгц). Назва мікроархітектури указує на мережеву спрямованість процесора — його потужність буде потрібно для ресурсоємних мультимедійних Інтернет застосувань. Розширення системи команд орієнтоване на завдання, які стають посильними для звичайних настільних комп'ютерів:

1) потокові додатки, включаючи обробку відеоінформації у реальному часі.

2) редагування відеозображень;

3) тривимірна візуалізація;

4) обробка відеосигналу як джерело даних;

5) зв'язок з телебаченням високої чіткості (HDTV);

6) розпізнавання мови;

7) Інтернет-телефонія.

Процесор Pentium 4 є по-справжньому однокристальним. На одному кристалі розміщено близько 42 млн. транзисторів, виконаних за технологією з дозволом 0,18 мкм (у Pentium ІІІ Coppermine «всього» 28 млн. транзисторів). Частота ядра перших моделей складає 1,4 або 1,5 ГГц. Процесор окрім власне обчислювального ядра має кеш-пам'ять двох рівнів. Вторинний кеш загальний для інструкцій і даних, має розмір 256 Кбайт і розрядність шини 256 біта (32 байти), як і в останніх процесорах Pentium ІІІ. Шина вторинного кеша працює на частоті ядра, що забезпечує її пропускну спроможність 32 х 1,4 = 44,8 Гбайт/с (48 Гбайт/с для 1,5 ГГц). Вторинний кеш має ЕСС-контроль, що дозволяє виявляти і виправляти помилки. Первинний кеш даних має таку ж високу пропускну спроможність (44,8 Гбайт/с), а його об'єм скоротився вчетверо (8 Кбайт проти 32 в Pentium III). Первинний кеш інструкцій в звичному розумінні відсутній, його замінив кеш траси (trace cache). У ньому зберігаються послідовності мікрооперацій, в які декодовані інструкції. У цьому кеші можуть поміщатися до 12К мікроінструкцій.

Інтерфейс системної шини процесора розрахований тільки на однопроцесорні конфігурації, що, за твердженням фірми, і дозволило використовувати такий простий конструктив. Відсутня також і можливість надмірного функціонального контролю (FRC). Проте тут прийнятий ряд заходів по забезпеченню високої пропускної спроможності. У матеріалах по процесору (навіть в суто технічному інформаційному листку) мовиться про частоту шини 400 Мгц з «чотирикратним накачуванням» (quad pumped). Пояснимо, що це означає, щоб не піддаватися спокусі зайвих множень. Тактова частота системної шини складає 100 Мгц, але частота передачі адрес і даних вище - 400 Мгц.

Розрядність шини даних, як і в попередніх двох поколіннях процесорів, складає 64 біта (8 байт), що в режимі 4х-кратной передачі дає максимальну пропускну спроможність 100 х 4 х 8 - 3,2 Гбайт/с. У процесорів Pentium III шина забезпечувала 133 х 8 - 1,06 Гбайт/с, так що по цьому параметру у Pentium 4 поліпшення триразове. Шина адреси має розрядність 36 біт, що дозволяє адресувати ті ж 64 Гбайт пам'яті, з яких кэшируются тільки перші 4 Гбайт.

Новий процесор позиціонувався як високопродуктивне настільне рішення. Основною відмінністю нової архітектури від "старенької" Р6 було ще більше збільшення конвеєра — до 20 стадій, що дозволило сильно наростити частоту процесора без переходу на "тонший" техпроцесс. Pentium 4 Willamette виготовлявся по 0.18 мкм технології, причому з алюмінієвими міжелементними з'єднаннями. Тактова частота двох "первістків" складала безпрецедентні на ті часи 1.4 ГГц і 1.5 ГГц. Менш дорога 1.3 ГГц версія з'явилася тільки на початку 2001 року. Далі один за іншим слідували анонси ще швидших продуктів, і, нарешті, у продажу з'явився Pentium 4 2 ГГц, який замикає лінійку Willamette. Цікавий факт - арифметико-логічний пристрій даних процесорів працює на буквально "надхмарних" частотах — вони в два рази більше в порівнянні з частотою ядра!

Подібно до Pentium III, вони також оперують з 128-бітовими регістрами, але вже не тільки з четвірками чисел одинарної точності, але і з будь-якими іншими типами даних, які уміщаються в 128 біт. В результаті вийшов якийсь симбіоз ММХ і SSE.

Оскільки процесор вийшов і без того достатньо "об'ємним" — близько 42 млн. транзисторів на площі в 217 кв. мм, що майже в два рази більше в порівнянні з Athlon або Pentium III — «впихнути» в нього вдалося далеко не все. Так, життєво необхідний кеш першого рівня довелося сильно зменшити. Разом з тим, пропускна спроможність кеша другого рівня значно зросла за рахунок дуже високих частот, на яких працює ядро процесора. Навіть при тактовій частоті в 1.3 ГГц пропускна спроможність складає майже 40 Гб/с, що є важливим показником. Розробники поклопоталися і про поліпшення системи передачі даних між L1 і L2-кэшем і ядром, що згодом знайшло додатки і в Tualatin.

На жаль, напруга живлення нових процесорів не відрізнялася особливою скромністю і складало цілих 1.7 В. Такой кристал потужністю близько 50 Вт при споживаному струмі більше 30 А розсіював дуже значну кількість тепла, за що зрештою повинні були платити користувачі. Для систем на базі нового процесора доводилося купувати спеціальний корпус з достатньо могутнім блоком живлення із специфікацією АТХ 2.03 і з можливістю кріплення напівкілограмового медно-аллюминиевого радіатора!

На цьому складнощі не закінчувалися. Окрім корпусу при переході з Pentium III на Pentium 4 користувачу довелося б поміняти ще і плату — Willamette виготовлявся в конструктиві FC-PGA 423, який ніяк не сумісний з Socket 370.

Разом з тим, немає нічого дивовижного в тому, що для Pentium 4 знадобилися принципово інша плата і чіпсеты. Узяти хоч би потребу нової архітектури в набагато більшій пропускній спроможності системної шини. Розробники поклопоталися про це повною мірою, створивши спеціальну Quad Pumped шину, що працює на частоті 400 Мгц. Звичайно, частота реального сигналу в ній колишня - 100 Мгц, просто затакт передається в 4 рази більше інформації, Пропускна спроможність Quad Pumped в три рази перевершує пропускну спроможність 133 Мгц шини для Pentium 4 і складає ні багато, ні мало - 3.2 Гб/ з. До речі, зараз вже з'явилася модель з частотою роботи майже 3 ГГц і частотою системної шини 533 Мгц (133 Мгц х 4) з пропускною спроможністю 4.26 Гб/с.

Проте результати перших тестів нових систем геть зіпсували їм репутацію аж до теперішнього часу. По продуктивності Pentium 4 нерідко поступався звичним, перевіреним і відносно недорогим Pentium III Coppermine. Чи треба говорити, що завойовувати популярність таким дорогим і, м'яко кажучи, не зовсім вдалим процесорам довелося б дуже довго. На тлі подібного провалу заяви Intel, що пророкували велике майбутнє архітектурі NetBurst, у багатьох викликали як мінімум скептичну усмішку.

З виходом 0.13 мкм Pentium 4 Northwood, вирішилася і проблема з тепловиділенням. А чого коштують компактні розміри нової упаковки FC-PGA 478, що застосовується вже зараз, — її можна порівнювати с... 386-м процесором! На жаль, знову-таки не збереглася сумісність із старим Socket 423, зате недоліку в Socket 478-плати не відчувається. Окрім екстремальної на сьогодні частоти, позитивно на продуктивність Northwood вплинув і збільшений до 512 Кб об'єм L2 кеша.

Процесори Pentium 4, засновані на новому 0.13 мкм ядрі Northwood мають в назві індекс А. Наприклад, це Pentium 4 2А, що працює на частоті 2 ГГц, що має кеш другого рівня 512 КБ і упакований той же самий 478-контактний FC-PGA2 корпус, що і його попередники для Socket478, засновані на 0.18 мкм ядрі Willamette.

На закінчення пару слів про підтримку многопроцессорности, Настільні варіанти Pentium 4 Willamette офіційно її не підтримують, те ж саме, видно, можна сказати і про майбутній Northwood. Проте це не можна вважати недоліком процесора, оскільки вся справа тут знову-таки в строгому позиціонуванні продуктів. Для серверного ринку призначені Pentium 4 Foster і Prestonia — аналоги Willamette і Northwood, відповідно, підтримуючі, як мінімум, двопроцесорні конфігурації. Але до широкого впровадження в життя даних продуктів поки що далеченько.