1993 stellte Intel den ersten Prozessor mit dem Namen Pentium vor. Er war der Nachfolger der erfolgreichen i486-CPU-Baureihe aus selben Hause. Als die CPU angekündigt wurde, rechnete die Fachwelt mit der Fortsetzung des bis dahin üblichen Namensschemas bei x86-Prozessoren. Demnach hätte die CPU 80586 oder kurz i586 heißen müssen. Ende 1992 wurde dann aber bekannt, dass die zur CeBit 1993 angekündigte CPU den Namen Pentium tragen solle. Pente (πεντε) – das griechische Wort für fünf – sollte nun Intels fünfter x86-Generation den Namen geben. Man begründete diesen Schritt mit der Unmöglichkeit, Zahlen markenrechtlich schützen zu lassen. Bei den 486-Prozessoren hatte Intel zu spüren bekommen, was es bedeuten konnte, wenn die Konkurrenz den gleichen Namen verwenden durfte wie das "Original". Diesen Fehler wollte man wahrscheinlich nicht noch einmal machen.
Die Familie der Pentium-Prozessoren
Pentium sollte dann aber nicht nur die fünfte, sondern auch die sechste und siebte x86-CPU-Generation aus dem Hause Intel heißen. Heute trägt eine ganze Prozessor-Dynastie diesen Namen: Dem Pentium folgten der Pentium Pro, der Pentium II, Pentium III, Pentium 4, Pentium M und der Pentium D. Obwohl diese Prozessoren außer dem Befehlssatz kaum Gemeinsamkeiten mit dem ersten Pentium haben, tragen sie seinen Namen.
Von vielen Leuten wird der Name Pentium deshalb heute synonym zum grade aktuellen Pentium-Prozessor benutzt, was eine begriffliche Abgrenzung vom ursprünglichen Pentium manchmal erschwert. Aus diesem Grund hat sich für den Pentium später die Bezeichnung Pentium-1 einbürgert, obwohl Intel ihn nie so bezeichnet hat.
Die Pentium-1-Familie
Auf dem Bild rechts kann man die Desktop-Varianten typischer Vertreter aller drei Haupttypen der Pentium-1-Familie sehen. Im Zentrum liegt ein Pentium 60, darüber ein Pentium 200. Im Uhrzeigersinn folgen ein Pentium 120, ein Pentium 233 MMX, dann zwei Pentium 75 mit verschiedenen Gehäusevarianten und schließlich ein Pentium 166 MMX.
Darüberhinaus gibt es noch weitere, vergleichsweise seltene Varianten des Pentium, die allesamt mit dem Begriff Pentium Overdrive Processor (PODP) bezeichnet werden.
Technisches
Alle Pentium-1-Prozessoren basieren auf dem Kern des Pentium-60/66, der Intel-intern auch als P5 bezeichnet wurde. Trotzdem hat sich P5-Familie – im Gegensatz zu P6-Familie – nie als Bezeichnung für die Pentium-1-Familie eingebürgert. Der Pentium ist der erste superskalare CISC-Mikroprozessor der Welt. Er wurde – im Gegensatz zum Pentium Pro – vom selben Entwicklerteam entwickelt, das auch schon den 486er entwickelt hatte.
Bereits der 486er führte einfache Befehle in einer Art Pipeline aus. Seine Pipelinestufen waren aber eher geschickt zusammengeschaltete Funktionsgruppen, wie man sie bereits vom 386er kannte. So konnten das Befehlholen (instruction fetching, fetch), die Befehlsdekodierung (decode) und die Befehlsausführung (execute) zwar weitgehend parallel ablaufen, es war aber nicht möglich, die an der Befehlsausführung beteiligten Funktionseinheiten besser auszulasten, indem man sie einfach parallel arbeiten ließ, wenn die Befehlsabfolge es erlaubte.
Das sollte der Pentium ändern. Er besaß zwei Integer-Pipelines, eine Fließkomma-Pipeline, dynamische Sprungvorhersage, getrennte Daten- und Code-Caches mit einer Größe von jeweils 8 KiB und einen 64 Bit breiten externen Datenbus mit schnellen Burst-Modi, um den externen Cache schnell anzubinden. Hinzu kamen weitere Features, wie ein System-Management-Mode (SMM), hardware-unterstütztes Performance-Monitoring und Execution-Tracing. Die beiden Pipelines erlaubten es dem Pentium, an der Befehlsausführung beteiligte Funktionseinheiten parallel arbeiten zu lassen, wenn sich die Möglichkeit bot. Die dynamische Sprungvorhersage mildert dabei einen konzeptionellen Nachteil der Pipeline-Architektur, die so genannten Pipeline-Flushes. Als Pipeline-Flush bezeichnet man das Verwerfen der Ergebnisse bereits abgearbeiteter Teilbefehle. Dies ist unter anderem dann erforderlich, wenn sich eine Sprungvorhersage als falsch erweist. Da diese Prozedur zeitaufwändig ist und bedingte Sprünge verhältnismäßig häufig vorkommen, hängt die Ausführungsgeschwindigkeit einer CPU auch von der Qualität der Sprungvorhersage ab. So hat Intel die Sprungvorhersage in einer späten Version des Pentium – dem P55C – verbessert.
Trotzdem hat die interne Befehlsabarbeitung des Pentium auch Schwachstellen. Erlauben die beiden Pipelines dem Pentium zwar, theoretisch zwei Befehle gleichzeitig zu bearbeiten, so gibt es in der Praxis dennoch Einschränkungen. Bestimmte Befehle und Befehlstypen können nicht gepaar werden, entweder, weil sich bestimmt Befehle nur in einer der beiden Pipelines ausführen lassen oder weil – wie bei den Fließkommabefehlen – eine Befehlspaarung grundsätzlich nicht vorgesehen ist. Aber auch Befehle, die sich eigentlich paaren lassen, können die Pipelines hemmen (einen oder wenige Takte anhalten), etwa bei verschiedenen Arten von Zugriffskonflikten und Zugriffsverzögerungen. Lösungsstrategien wie Data-Forwarding, Data-Bypassing und Register-Renaming kennt der Pentium noch nicht. Auch der Umstand, dass Befehle in den Pipelines immer als Paar abgearbeitet und abgeschlossen werden und sich nicht gegenseitig "überholen" können, sorgt manchmal für Leerlauf. Verzögert sich die Abarbeitung in einer Pipeline, ist auch die andere blockiert. Weiterhin kann der Pentium keine Befehle umsortieren oder Befehlsabhängigkeiten auflösen.
Vorkehrungen, die geeignet wären, viele der auftretenden Probleme zu mindern oder zu umgehen, besitzt der Pentium noch nicht, weshalb er sein Leistungspotential nicht unter allen Umständen oder erst nach einer aufwendigen Code-Optimierung entfalten konnte. Die Code-Optimierung setzt eine sehr detaillierte Kenntnis der internen Arbeitsweise des Pentium voraus und existierende Software, die 1993 zumeist noch für den 486er optimiert war, lief deshalb auf dem Pentium oft nur mit der sprichwörtlichen angezogenen Handbremse. Auch das war ein Grund, warum der Pentium nach seinem Erscheinen zunächst nicht so recht zu überzeugen wusste.
Nichtsdestotrotz war der Pentium zu seiner Zeit eine leistungsfähige CPU und der damals bereits in Entwicklung befindliche P6 war drauf und dran, auch diese Probleme anzugehen.
Der FDIV-Bug
Erst anderthalb Jahre nach seiner Vorstellung sorgte der Pentium mit einem spektakulären Designfehler für Aufsehen. Der so genannte FDIV-Bug – wegen seiner Popularität manchmal auch etwas unspezifisch lediglich als Pentium-Bug bezeichnet – erschütterte das Vertrauen vieler Anwender in die noch junge Pentium-Familie, deren Mitglieder zur damaligen Zeit erst mit Taktfrequenzen von 60, 66, 75, 90 und 100 MHz daherkamen. Aufgrund des Aufsehens, das dieser Fehler damals erregte, ist ihm ein eigener, ausführlicher Artikel gewidmet: Pentium-FDIV-Bug.
Varianten des Pentium-1
Der P5-Pentium
Die erste Generation des Pentium, der P5, wurde auf der CeBit 1993 vorgestellt. Die beiden einzigen Vertreter des P5 sind der Pentium 60 und der Pentium 66. Beide arbeiten mit einer Versorgungsspannung von etwa 5 Volt und sind von Haus aus nicht Multiprocessing-fähig. Sie unterstützen aber bereits das MESI-Protokoll zur Sicherstellung der Cache-Kohärenz im Mehrprozessorbetrieb. Ihr Kern wird – vergleichbar dem der ersten 486-Prozessoren – noch mit derselben Taktfrequenz betrieben wie das Businterface. Beide CPUs passen ausschließlich in den Sockel 4 und unterscheiden sich ansonsten funktional nur unwesentlich von ihrem Nachfolger, dem P54C.
Trotz seines fortschrittlichen Designs war der P5 kein großer Erfolg für Intel. Vermutlich sollte er das aber auch garnicht werden, denn die verschiedenen 80486-Varianten verkauften sich noch recht gut und die knappen Produktionskapazitäten waren mit einer neuen CPU wahrscheinlich auch nicht besonders gut auszulasten. Die Produktionsausbeute war schlecht und der Betrieb des P5 war – aufgrund seiner enormen Leistungsaufnahme – in der Praxis alles andere als unproblematisch, weshalb Intel ihn auch vorwiegend an Systemhersteller und nicht an den Handel auslieferte, wo er – falls überhaupt verfügbar – nur zu horrenden Preisen zu kaufen war. Außerdem war die Performance des Pentium zunächst nicht sonderlich überzeugend. Intel hatte sich nämlich mit brachialer Megahertz-Gewalt einen hausinternen Konkurrenten geschaffen, den mit 100 MHz getakteten i486DX4. Komplettsysteme mit dem DX4 – wie der i486DX4 auch genannt wurde – waren in der Anschaffung deutlich günstiger und standen zumindest solchen mit Pentium 60 in Sachen Performance kaum nach. Und wenn ein 486er-Mainboard schon vorbereitet war, konnte man den DX4 sogar nachrüsten.
Der mäßige Erfolg des ersten Pentium war also keineswegs seinen mangelnden technischen Qualitäten zuzuschreiben. Da die CPU sehr teuer verkauft wurde, nur in geringen Stückzahlen und mit der veralteten Prozess-Technologie des 80486 – die vor ihrer Ablösung stand – hergestellt wurde, bleibt zu vermuten, dass Intel den P5-Pentium nur als Türöffner bzw. technologischen Vorreiter für die folgende Pentium-Variante geplant hatte: den P54C-Pentium.
Der P54C-Pentium
Der P54C-Pentium wurde zur CeBit 1994 vorgestellt und kam zuerst mit 90 und 100 MHz, kurz drauf auch mit 75 MHz auf den Markt. Bis ins Jahr 1997 folgten noch Versionen mit 120, 133, 150, 166 und 200 MHz. Im Gegensatz zum P5 hat der P54C einen onchip-APIC und ist somit von Haus aus Multiprocessing-fähig. Trotzdem garantierte Intel nicht bei allen CPUs für die Funktionsfähigkeit des APIC, weshalb auch Versionen verkauft wurden, die den Multiprozessorbetrieb nicht unterstützten. Darüber hinaus besitzt der P54C das verbesserte, so genannte SL-enhanced Power Management. Für den P54C war zunächst der Sockel 5, später auch der Sockel 7 vorgesehen. Den P54C gab es als Desktop-CPU mit Taktfrequenzen zwischen 75 und 200 MHz, als mobile Variante aber nur mit maximal 150 MHz.
Im Gegensatz zu seinem Vorgänger, dem P5, wurde der P54C ein großer Erfolg für Intel. Es sollte fast zwei Jahre dauern, bis konkurrenzfähige Pentium-Klone auf den Markt kamen. Während Intel den Pentium favorisierte, schlachtete die Konkurrenz – ebenfalls erfolgreich – die 486er-Plattform zunächst weiter aus. So brachten AMD und Cyrix weiterhin schnelle 486er-Prozessoren auf den Markt, Ende 1995 – unter dem Namen 5x86 – sogar solche, die es durchaus mit einem Pentium 75 aufnehmen konnten. Zu dieser Zeit war Intel aber bereits beim Pentium 133. Im Laufe des Jahres 1996 konterte AMD mit dem 5k86, dem späteren K5 und Cyrix mit dem 6x86, die ebenfalls in den Sockel 5 und den Sockel 7 passten. Letzterer schaffte es sogar, bei der Integer-Performance dem damals schnellsten Pentium gefährlich zu werden. Aber bevor der 6x86 sich richtig etablieren konnte, konterte wiederum Intel Anfang 1997 mit einer Weiterentwicklung des P54C, dem P55C.
Der P55C-Pentium (Pentium MMX)
Der P55C war der letzte und leistungsfähigste Prozessor aus der Pentium-1-Familie. Er wird auch als Pentium MMX bezeichnet, da er als erster Prozessor Intels neue MMX-Befehlssatzerweiterung unterstützte. Den Pentium MMX gibt es mit Taktfrequenzen von 120 bis 300 MHz, wobei 120, 266 und 300 MHz ausschließlich der mobilen Variante vorbehalten blieben. Da CPU-Kern und Businterface beim P55C mit verschiedenen Spannungen betrieben werden, benötigt er eine spezielle Form des Sockel 7, den sogenannten Split-Voltage-fähigen Sockel 7, nicht zu verwechseln mit dem Super-Sockel 7. Darüber hinaus wurde der P55C erheblich verbessert. Er behält zwar im Wesentlichen die Architektur des P54C bei, optimiert und ergänzt sie aber an vielen Stellen. So besitzt der P55C doppelt so große Caches wie seine Vorgänger, hat eine deutlich verbesserte – vom Pentium Pro übernommene – Sprungvorhersage, vier statt zwei Schreib-Puffer und einen CPU-internen Return-Stack zur Beschleunigung von Unterprogramm-Rücksprüngen. Auch seine Pipelines wurden verbessert. Sie können auch mit Befehlskombinationen (so genannte Befehlspaarungen) beschickt werden, die vorher nicht möglich waren und eine zusätzliche Stufe wurde hinzugefügt. Obwohl die Verbesserungen an der Pipeline hauptsächlich wegen der Erweiterung um die MMX-Befehle vorgenommen wurden, profitieren auch Nicht-MMX-Anwendungen davon. Unterm Strich machen sich die Verbesserungen in einer deutlichen Performance-Steigerung bemerkbar. Der P55C ist bei Nicht-MMX-Anwendungen im Mittel etwa 15 bis 20 Prozent schneller als ein gleichgetakteter P54C, wobei ein großer Teil dieser Steigerung dem größeren Cache zuzurechnen ist.
Die Pentium-Overdrive-Prozessoren
Die Wachablösung: Der Pentium II
Mit dem Pentium 233 kam im Juli 1997 der letzte Desktop-Prozessor der Pentium-1-Familie auf den Markt. Zu dieser Zeit favorisierte Intel zwar bereits den Pentium II, der P55C verkaufte sich aber noch ganz gut als Upgrade-CPU und in Einsteiger- und Low-Cost-Systemen. Im September stellte Intel dann noch eine sparsame, funktional praktisch unveränderte Version des P55C vor. Die unter dem Codenamen Tillamook entwickelte Variante des P55C war aber nur noch für den mobilen Einsatz gedacht. Im Desktop-Markt zeichnete sich bereits ab, dass Intel die Pentium-1-Familie zugunsten des Pentium II vollständig aufzugeben gedachte. Spätestens mit Erscheinen des Celeron im April 1998 gab es für Intel dann auch keinen Grund mehr, den Sockel 7 im Desktop-Markt weiter zu unterstützen. Man gab ihn auf und überließ ihn der Konkurrenz, die mit dem 6x86 (Cyrix, IBM), dem K6 (AMD) und weiterentwickelten Varianten dieser CPUs schon lange Druck auf Intel ausübte. Mittlerweile waren sogar noch zwei weitere Konkurrenten auf dem Markt erschienen: Auch der IDT WinChip und der Rise MP6 passten in den Sockel 7.
Fast sechs Jahre nach der Vorstellung der ersten Pentium-CPU, stellte Intel im Januar 1999 das letzte Mitglied der Pentium-1-Familie vor. Zu dieser Zeit waren die mobilen Varianten des Pentium II und des Celeron bereits etabliert, die Vorstellung des Mobile Pentium 300 den meisten Fachmagazinen nur noch eine Randnotiz wert.
Geschichtliche Bewertung
Aus heutiger Sicht ist der erste Pentium ein Meilenstein der x86-Geschichte. Man kann sagen, dass x86 mit dem Pentium begann, erwachsen zu werden. Dass man es zwar noch besser machen konnte, zeigten schon zwei Jahre später der Pentium Pro aus eigenem Hause und der 6x86 von Cyrix, aber der Anfang war gemacht. Der Pentium implementierte als erster x86-Prozessor Techniken, die bei High-End-CPUs wie MIPS, SPARC, PA-RISC, PowerPC und Alpha zum Teil bereits lange zuvor etabliert waren.
Nichtsdestotrotz begann erst der Pentium Pro langsam in Bereiche vorzudringen, die bis dahin den klassischen Workstation- und Server-Herstellern wie Sun, DEC, IBM und HP vorbehalten waren. Erst er sollte in diesem Marktsegment einen respektablen Marktanteil erringen.
Modellübersicht
P5 (A80501)
- L1-Cache: 8 + 8 KB (Daten + Instruktionen)
- Sockel 4
- Front-Side-Bus: 60 und 66 MHz
- Erscheinungsdatum: 22. März 1993
- Fertigungstechnik: 0,8 µm BiCMOS
- Taktraten: 60 und 66 MHz
- Spannungsversorgung: ca. 5 Volt
- Besonderheiten: unterstützt bereits MESI-Protokoll
P54C (A80502)
- L1-Cache: 8 + 8 KB (Daten + Instruktionen)
- Sockel 5 und Sockel 7
- Front-Side-Bus: 50, 60 und 66 MHz
- Erscheinungsdatum: 7. März 1994
- Fertigungstechnik: 0,6 µm BiCMOS, später 0,35 µm BiCMOS
- Taktraten der Desktop-Varianten: 75, 90, 100, 120, 133, 150, 166 und 200 MHz
- Taktraten der mobilen Varianten: 75, 90, 100, 120, 133 und 150 MHz
- Spannungsversorgung: zwischen 3,1 und 3,5 Volt (je nach Modell)
- Besonderheiten: onchip-APIC
P55C (A80503)
- L1-Cache: 16 + 16 KB (Daten + Instruktionen)
- Sockel 7 mit Split-Voltage-Unterstützung
- Front-Side-Bus: 66 MHz
- Erscheinungsdatum: 8. Januar 1997
- Fertigungstechnik: 0,35 und 0,28 µm CMOS, später 0,25 µm CMOS (Tillamook)
- Taktraten der Desktop-Varianten: 133, 150, 166, 200 und 233 MHz
- Taktraten der mobilen Varianten: 120, 133, 150, 166, 200, 233, 266 und 300 MHz
- Spannungsversorgung: Split-Voltage, 2,8 Volt VCore, ca. 3,3 Volt Bus
- Besonderheiten: onchip-APIC, MMX-Befehlssatzerweiterung
Weitere Pentium-Modelle
- 1995: Pentium Pro, High-End-Prozessor für Workstations und Server
- 1997: Pentium II, Nachfolger des Pentium-1 im Massenmarkt, abgeleitet vom Pentium Pro
- 1999: Pentium III, Pentium II mit SSE-Befehlssatzerweiterung
- 2000: Pentium 4, Pentium III-Nachfolger, basiert auf neuer Architektur namens Netburst, führte SSE2-Befehlssatzerweiterung ein
- 2003: Pentium M, stromsparender Mobilprozessor, abgeleitet vom Pentium III
- 2005: Pentium D, Weiterentwicklung des Pentium 4, auch als Dual-Core-Variante verfügbar