Der Pentium 4 ist ein x86-kompatibler Mikroprozessor von Intel und das erste vollständig neue CPU-Design dieses Herstellers seit dem Pentium Pro von 1995.
Die ersten Pentium 4 mit dem Codenamen Willamette liefen mit Taktraten von 1,4 und 1,5 GHz und kamen im November 2000 auf den Markt. Zur Überraschung vieler Beobachter war der Pentium 4 gegenüber dem alten P6-Design bei der Integer- oder Fließkommaberechnung nicht wesentlich verbessert worden. Stattdessen hatte man sich auf zwei Dinge konzentriert: Sehr hohe Taktraten und SSE-Performance. Wie bei Intels Flaggschiffen üblich, gibt es den Pentium 4 auch in einer Low-Cost Celeron-Version (oft als Celeron 4 bezeichnet) und einer High-End Xeon-Version.
Willamette
Willamette, der erste Pentium 4, litt unter Verzögerungen während des Design-Prozesses, die zum größten Teil daher rührten, dass Intel zeitgleich viele Ingenieure beim Itanium-Projekt sowie den verschiedenen Varianten des P6-Kerns (Pentium II, III und Celeron) benötigte. Die meisten Experten sahen in den ersten P4-Prozessoren mit 1.400 und 1.500 MHz eine Notmaßnahme Intels, da das Konkurrenzprodukt AMD Athlon Thunderbird den alternden Pentium III zunehmend ausperformte, weitere Verbesserungen am P-III aber nur noch schwer möglich waren.
In Tests enttäuschte der Pentium IV: An die Leistung des Athlon TB und sogar der damals schnellsten P-IIIs kam er nicht heran. Peinlich für Intel war, dass er noch nicht einmal den Billig-Prozessor AMD Duron klar hinter sich ließ. Er verkaufte sich daher zunächst auch nur mäßig.
Im Januar 2001 wurde ein nochmals langsameres Modell mit 1,3 GHz nachgeschoben, was vermuten ließ, dass Intel zu diesem Zeitpunkt große Schwierigkeiten mit der Taktfestigkeit der P4-Kerne hatte. Danach konnte Intel jedoch endlich zum Generalangriff auf AMD blasen. Der April brachte einen P4 mit 1,7 GHz, der damit erstmals klar schneller als der alte Pentium III war. Im Juli folgten Modelle mit 1,6 und 1,8 GHz, und ab August 2001 lieferte Intel Prozessoren mit 1,9 und 2,0 GHz.
Die 2-GHz-Variante war der erste P4, die mit dem Konkurrenten Athlon Thunderbird gleichziehen konnte, der bis dahin unfraglich die schnellste x86-CPU am Markt war. Für Intel war dieses Ziel vor allem psychologisch wichtig. Zum ersten Mal seit Erscheinen des Athlon Classic konnte man sich wieder berechtigte Hoffnungen auf die Performance-Krone machen, die man vorher seit 16 Jahren unangefochten innehatte.
Northwood
Im Oktober 2001 brachte der Athlon XP AMD wieder klar in Führung, doch im Januar 2002 konnte Intel neue Pentium 4's mit dem neuen Northwood-Kern auf den Markt bringen. Northwood hatte einen von 256 kB auf 512 kB verdoppelten L2-Cache und wurde im neuen 0.13 Micron Prozess hergestellt. Indem man den Chip aus kleineren Transistoren baute, konnte er schneller laufen und dabei trotzdem weniger Energie als sein Vorgänger verbrauchen.
Mit dem Northwood-Kern wurde der P4 erwachsen. Der Kampf um die Performance-Krone blieb spannend (da AMD schnellere Versionen des Athlon XP vorstellte), aber die meisten Beobachter stimmten inzwischen darin überein, dass der P4 ständig leicht in Führung lag. Dies war besonders im Spätsommer 2002 der Fall, als AMD eigener Wechsel zum 0,13 Micron-Prozess durch technische Schwierigkeiten verzögert wurde, und die P4 in Taktraten von 2,4 bis 2,8 GHz klar die schnellsten Chips am Markt waren.
Ein 2,4-GHz-P4 wurde im April 2002 vorgestellt, ab Mai konnte man 2,53 GHz kaufen, im August folgten die Taktstufen 2,6 und 2,8 GHz, und im November durchbrach Intel mit einem 3,07 GHz-Prozessor die 3-GHz-Grenze. Noch schnellere Versionen auf Basis des Northwood-Kerns sind sicherlich möglich, ihr Auslieferungs-Zeitpunkt wird aber von der Verfügbarkeit entsprechender Konkurrenzprodukte abhängen.
Technik
Der Pentium 4 verrichtet pro Takt weit weniger Arbeit als andere CPUs (z.B. der Athlon oder der alte Pentium III). Der Konkurrent Athlon XP kann daher die gleiche Leistung wie der P4 bei weit weniger Takt erbringen. Ein weiterer Faktor, warum der P4 auf immer höheren Takt angewiesen ist, ist eine alte Schwäche der Intel-Fließkommaeinheit (FPU), die dazu führt, dass spezielle Operationen wie Nulldivisionen oder Berechnungen, bei denen das Ergebnis keine sinnvolle Zahl oder Unendlich ist, auf der FPU des Pentium 4 bis zu 950 (!) Mal länger brauchen als auf dem AMD Athlon. Das Problem lässt sich zwar umgehen, indem man für Fließkommaberechnungen konsequent die SSE-Einheit benutzt, allerdings sind die meisten Programme auf dem Markt (noch) nicht dafür optimiert.
Die neuesten Pentium 4's unterstützen Hyperthreading (zuerst auf dem Xeon eingeführt), wobei die CPU zwei Threads gleichzeitig ausführen kann, da einige Teile des Prozessors doppelt vorhanden sind. Für das Betriebssystem sieht ein solcher Prozessor wie ein Multiprozessor-System aus.
Mit dem Pentium 4 führte Intel auch einen Überhitzungsschutz ein, der bei ungenügender Belüftung des Prozessors den Takt in 8 Stufen herunterregeln kann und so ein Durchschmelzen des Kerns verhindert. Auf die entsprechenden Schaltkreise lässt sich auch per Software einwirken (zumindest unter Linux, Windows unterstützt diese Art des Energiesparens nicht). Besonders für Besitzer von [Notebook]]s, die einen P4-Celeron nutzen, kann dies ein mehr als adäquater Ersatz für die fehlende SpeedStep-Funktion des Prozessors sein, da SpeedStep nur 2 Taktstufen kennt, die thermale Überwachung der CPU sich aber 8-stufig regeln lässt. Ein Pentium 4 mit 1.500 MHz Nenntakt lässt sich so bei Leerlauf auf bis zu 187 MHz heruntertakten und schont auf diese Weise den Akku oder - da die Frequenzmodulation über die Thermalüberwachung auch bei Desktop-P4's funktioniert - die Stromrechnung.