Intel Pentium 4

Northwood-Celeron (Sockel 478) und Pentium 4 Willamette (Sockel 423) im Vergleich (vlnr)

Der Pentium 4 ist ein Mikroprozessor der siebten x86-Generation.

Die ersten Pentium 4 mit dem Codenamen Willamette liefen mit Taktfrequenzen von 1,4 und 1,5 GHz und kamen im November 2000 auf den Markt. Zur Überraschung vieler Beobachter war der Pentium 4 mit der neuen NetBurst-Architektur gegenüber dem älteren P6-Design des Pentium III in Sachen Integer- und Fließkomma-Performance nicht wesentlich verbessert worden, eher im Gegenteil. Stattdessen hatte man sich auf zwei Dinge konzentriert: Hohe Taktfrequenzen und SSE-Performance.

Wie bei Intel üblich, gibt es den Pentium 4 auch in einer Low-Cost-Variante namens Celeron und in einer multiprocessing-fähigen High-End-Variante namens Xeon. Zur besseren Abgrenzung von den Celeron-Varianten des Pentium II und Pentium III wird die aktuelle, vom Pentium 4 abgeleitete Variante oft auch als Celeron 4 bezeichnet. Neuere Modelle mit Prescott-Kern werden unter dem Namen Celeron D verkauft. Als Besonderheit hatte Intel noch eine Pentium 4 Extreme Edition im Programm, der als High-End-CPU gegen AMDs Athlon 64 FX positioniert wurde.

Die auf Basis der NetBurst-Architektur entwickelten Dual-Core CPUs werden unter dem Namen Pentium D oder Pentium Extreme Edition verkauft. Für Details siehe diese Artikel.

Modelle

Willamette

Willamette (Sockel 423), der erste Pentium 4, litt unter Verzögerungen während des Design-Prozesses, die angeblich daher rührten, dass Intel gleichzeitig 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 1400 und 1500 MHz eine Notmaßnahme Intels, da das Konkurrenzprodukt AMD Athlon Thunderbird den alternden Pentium III zunehmend überflügelte, weitere Verbesserungen am P-III aber nur noch schwer möglich waren. Willamettes wurden in einem 180-nm-Prozess hergestellt.

In Tests enttäuschte der Pentium 4 die Analysten: An die Leistung des Athlon Thunderbird und sogar der damals schnellsten Pentium III-Prozessoren kam er nur in den wenigsten Tests heran. Peinlich für Intel war, dass er noch nicht einmal den LowCost-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 den Vorsprung seitens AMD schnell ausgleichen. Im April brachte Intel 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 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 16 Jahren unangefochten innegehabt hatte.

Northwood

Im Oktober 2001 brachte AMD den Athlon XP auf den Markt, der AMD wieder klar in Führung brachte. Doch im Januar 2002 konnte Intel den Pentium 4 mit dem neuen Northwood-Kern auf den Markt bringen. Der Northwood hatte einen von 256 KB auf 512 KB verdoppelten L2-Cache und wurde im neuen 130-nm-Prozess hergestellt. Indem man den Chip aus kleineren Transistoren baute, konnte er schneller laufen und dabei trotzdem weniger Energie als sein Vorgänger verbrauchen.

Zwei Modelle mit 2,0GHz und 2,2 GHz wurde im Januar 2002 vorgestellt, im April folgten 2,4 GHz. Ab Mai konnte man Modelle mit 2,53 GHz bei gleichzeitig auf 133 MHz (FSB 533) beschleunigtem Frontside-Bus kaufen, im August folgten die Taktstufen 2,6 und 2,8 GHz, und im November überschritt Intel mit einem 3,06 GHz-Prozessor die 3-GHz-Grenze. Dieses Spitzenmodell unterstützte Hyper-Threading (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 und beschleunigt die parallele Arbeit mit mehreren Programmen (z.B. Virenscan und 3D-Spiel).

Im April 2003 brachte Intel neue Varianten auf den Markt, die taktmäßig von 2,4 bis 3,0 GHz reichten und allesamt Hyper-Threading beherrschten. Sie unterschieden sich von den früheren Prozessoren dadurch, dass ihr Frontside-Bus mit 200 MHz (FSB 800) betrieben wurde. AMD beschleunigte seinerseits den Bus des Athlon XP von 166 MHz (FSB 333) auf 200 MHz (FSB 400), was jedoch nicht genug war, um den neuen 3,0-GHz-P4 hinter sich zu lassen. Die im Juni 2003 vorgestellte 3,2-GHz-Variante des Pentium 4 vergrößerte den Leistungsvorsprung in den meisten Benchmarks noch weiter. Die vorerst letzte Variante ist ein Pentium 4 mit 3,4 GHz, der Anfang 2004 auf den Markt kam.

Bis zur Einführung der Athlon 64 Prozessoren und der vollständigen Abkehr von der Athlon XP Architektur, war Intel mit seinen Prozessoren AMD wieder eindeutig überlegen.

Prescott

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, unterstützt SSE3-Befehle und stellt gleichzeitig eine größere Überarbeitung der Mikroarchitektur des Pentium 4 dar (Verlängerung der Pipelines von 20 Stufen auf 30), die so weitreichend ist, dass einige Analysten überrascht waren, dass Intel diesen Prozessor nicht Pentium 5 nannte [1]. Die ersten Prescotts liefen mit gleicher Taktrate wie ein Northwood, und 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 gewesen wären. Durch die Erfahrungen in der Praxis kam es jedoch anders.

Nach der Veröffentlichung stellte man fest, dass der Prescott etwa 45% mehr Abwärme pro Takt als der Northwood-Kern erzeugt, und entsprechend negativ waren auch die Kommentare in der Fachpresse. Zusätzlich wurde auch ein Wechsel des Sockel-Typs (von Sockel 478 auf LGA775) vollzogen. Hauptgrund für die Einführung des neuen pinlosen Sockels sind einerseits der geringere Widerstand der Metallnoppen-Kontakte und andererseits die höhere mögliche Pin-Dichte. Bei den S775-Modellen des Prescott fällt im Vergleich zu den S478-Modellen insgesamt eine etwas höhere Wärmeentwicklung an, der nur mit den revidierten Boxed-Kühlern mit eingelegtem Kupferkern begegnet werden konnte. Diesem etwas besseren Kühlkonzept ist es zu verdanken, dass sich die Temperaturen trotzdem noch senken ließen. Spätere Überarbeitungen des Prozessors durch Intels Ingenieure haben inzwischen dafür gesorgt, dass Energieaufnahme und Wärmeabstrahlung wieder näher an die Werte des Northwood-Kerns herankommen.

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). Der gegenwärtig schnellste Prescott-Prozessor ist der mit 3,8 GHz getaktete 570J. Dies ist der erste Pentium 4-Prozessor, der Intels Execute-Disable-Bit (XDBit) unterstützt, eine von AMD im Rahmen eines Patent-Austauschabkommens übernommene Technik, die beim Athlon 64 jedoch NX-Bit genannt wird. Auf diese Funktion weist das an die Typenbezeichnung angehängte J hin. Die Pläne für 4-GHz-Prozessoren wurden von Intel jüngst zu Gunsten von Dualcore-Prozessoren aufgegeben. Als Zwischenschritt und Ausweg aus der "Gigahertzfalle" wurde die 600er-Serie mit dem Prescott-2M-Kern eingeführt. Wichtigstes Merkmal ist der auf 2048 KB vergrößerter L2-Cache und die Implementierung weiterer Technologien wie EM64T und der Virtualisierungstechnik Vanderpool, welche aber erst im dritten Quartal 2005 offiziell aktiviert wird. Er erreicht noch nicht die hohen Taktraten des klassischen Prescott, und der Leistungsgewinn im Vergleich zu den Modellen der 500er-Reihe ist eher gering. Doch zeigt dieses Modell Intels neue Strategie, weg von hohen werbewirksamen Taktraten hin zu vergrößerten Caches und technischen Neuerungen.

Der Prescott ist der erste Kern der TCPA auf Hardwarebasis unterstützt.

Cedar Mill

Cedar Mill ist im Grunde ein in 65 nm gefertigter Prescott 2M und besitzt auch dessen Merkmale und Features. Die CPU erschien Anfang 2006 und wird die letzte CPU der Pentium 4-Reihe sein.

Technik

Der Pentium 4 basiert auf der Intels NetBurst-Architektur und verrichtet deswegen pro Takt weniger Arbeit als andere CPU-Designs (z. B. Athlon oder Pentium III). Der Konkurrent Athlon 64 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 (englisch Not a Number, NaN) 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.

Folgendes C Programm demonstriert die Leistungsschwäche der FPU. Die GCC Option -mfpmath bringt in diesem Programm ca. den Faktor 50 an Geschwindigkeitssteigerung (gemessen auf PIV 74 Sekunden, bzw. 1,22 Sekunden):

 /*Written by Stefan Hirschmann, published dual under GPL and GFDL */
 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <math.h>
 #include <time.h>
 double facult(int n) {
   int i;
   double nf=1;
   for (i=2;i<=n;i++)
       nf*=i;
   return nf;
 }
 int main(int argc, char** argv) {
   clock_t prgstart, prgende;
   const int N=1000000;
   double array[N];
   int i,k,n=60;
   double x,c=1.25;
   double logx, stepValue=1.0;
   prgstart=clock();
   printf("%f",x);
   for (k=0;k<N;k++) {
       array[k]=0;
       x=k/1000.;
       logx = log(x);
       for (i=0;i<=n;i++) {
            // stepValue=pow(c*logx,i)/facult(i);
            stepValue *= c * logx / i;
            array[k]+= stepValue;
       }
   }
   prgende=clock();
   printf ("Die Programmlaufzeit betrug: %.2f Sekunden\n", (float)(prgende-prgstart)/CLOCKS_PER_SEC);
   return EXIT_SUCCESS;
 }

Mit dem Pentium 4 führte Intel auch einen erweiterten Überhitzungsschutz ein, genannt Thermal Throttling. Der Überhitzungsschutz des Pentium III führte bei einer ungenügenden Kühlung des Prozessors zur sofortigen Notabschaltung. Nun wird der Prozessortakt in acht Stufen heruntergeregelt. Auf der untersten Stufe ist der Prozessor jeweils so niedrig getaktet, dass er keine aktive Kühlung mehr benötigt und auch passiv betrieben werden könnte. Somit wird ein Durchschmelzen des Kerns wie bisher verhindert, der Rechner fällt also nicht gleich komplett aus.

Auf die entsprechenden Schaltkreise lässt sich auch per Software einwirken (zumindest unter Linux, Windows unterstützt diese Art des Energiesparens nicht). Dies kann aber kein Ersatz für die fehlende SpeedStep-Funktion in Notebooks, die P4-Celeron nicht nutzen sein, weil dadurch nur die Rechenleistung gedrosselt, nicht aber der Stromverbrauch pro CPU-Befehl vermindert wird. Der Energieverbrauch des Computers für wird dadurch weiter erhöht, weil andere Komponenten unvermindert weiter Stom verbrauchen, während die CPU nur gedrosselt und damit langsamer arbeitet.

Zukunft

Mit der Ablösung der NetBurst-Architektur lässt Intel auch den Pentium 4 auslaufen und wird keine neuen CPUs mehr mit diesem Namen auf den Markt bringen

Modelldaten

Willamette

L1-Cache: 8 KB (Daten) plus 12.000 µOps (Instruktionen)
L2-Cache: 256 KB mit Prozessortakt
MMX, SSE, SSE2
Sockel 423 und Sockel 478, AGTL+ mit 100 MHz Front Side Bus (quadpumped, FSB 400)
Erscheinungsdatum: November 2000
Fertigungstechnik: 180 nm
Die-Größe: 217 mm² bei 42,0 Millionen Transistoren
Taktraten: 1.300 bis 2.000 MHz
- Sockel 423: 1.300 bis 2.000 MHz (100 MHz-Schritte)
- Sockel 478: 1.400 bis 2.000 MHz (100 MHz-Schritte)

Northwood

L1-Cache: 8 KB (Daten) plus 12.000 µOps (Instruktionen)
L2-Cache: 512 KB mit Prozessortakt
MMX, SSE, SSE2, teilweise Hyper-Threading (3.066 MHz & C-Modelle)
Sockel 478, AGTL+ mit 100, 133 und 200 MHz Front Side Bus (quadpumped, FSB 400, 533 und 800)
Erscheinungsdatum: Januar 2002
Fertigungstechnik: 130 nm
Die-Größe: 146 mm² / 131 mm² bei 55,0 Millionen Transistoren
Taktraten: 1.600 bis 3.400 MHz
- 100 MHz FSB: 1.600, 1.800, 2.000, 2.200, 2.400, 2.500 und 2.600 MHz
- 133 MHz FSB (B-Modelle): 2.266, 2.400, 2.533, 2.667, 2.800 und 3.066 MHz
- 200 MHz FSB (C-Modelle): 2.400, 2.600, 2.800, 3.000, 3.200 und 3.400 MHz

Prescott

L1-Cache: 16 KB (Daten) plus 16.000 µOps (Instruktionen)
L2-Cache: 1.024 KB mit Prozessortakt
MMX, SSE, SSE2, SSE3, EM64T (F- und 5x1-Modelle), XD-Bit (F- und J-Modelle), Hyper-Threading (Sockel 478 CPUs & 5x0/5x1-Modelle)
Sockel 478 und LGA775, AGTL+ mit 133 und 200 MHz Front Side Bus (quadpumped, FSB533 und FSB800)
Erscheinungsdatum: 2. Februar 2004 (S-478), 21. Juni 2004 (S-775)
Fertigungstechnik: 90 nm
Die-Größe: 112 mm² bei 125,0 Millionen Transistoren
Taktraten: 2.26 bis 3.80 GHz
- Taktraten für Sockel 478:
  - 133 MHz FSB:
    - 2,26 GHz (nur 512 KB L2-Cache)
    - 2,40 GHz
    - 2,80 GHz (kein HTT)
  - 200 MHz FSB:
    - 2,80 GHz
    - 3,00 GHz
    - 3,20 GHz
    - 3,40 GHz
- Modellnummern für Sockel 775: Die Liste der unterstützten Features weicht für die Prozessorgruppe mit 133 MHz FSB von der üblichen Nomenklatur ab. Für Details siehe hier.
  - 133 MHz FSB:
    - 505(J),506: 2,66 GHz
    - 511: 2,80 GHz
    - 515(J),516,517: 2,93 GHz
    - 519(F),524: 3,06 GHz
  - 200 MHz FSB:
    - 520(J),521: 2,80 GHz
    - 530(J),531: 3,00 GHz
    - 540(J)(F),541: 3,20 GHz
    - 550(J)(F),551: 3,40 GHz
    - 560(J)(F),561: 3,60 GHz
    - 570J,571: 3,80 GHz

Prescott 2M

L1-Cache: 16 KB (Daten) plus 16.000 µOps (Instruktionen)
L2-Cache: 2048 KB mit Prozessortakt
MMX, SSE, SSE2, SSE3, EM64T, EIST, XD-Bit, IVT (nur 6x2-Modelle), Hyper-Threading
LGA775, AGTL+ mit 200 MHz Front Side Bus (quadpumped: FSB 800)
Erscheinungsdatum: Februar 2005
Fertigungstechnik: 90 nm
Die-Größe: 135 mm² bei 169,0 Millionen Transistoren
Taktraten: 2,80 bis 3,80 GHz
Modellnummern:
- 620: 2,8 GHz
- 630: 3,0 GHz
- 640: 3,2 GHz
- 650: 3,4 GHz
- 660: 3,6 GHz
- 662: 3,6 GHz
- 670: 3,8 GHz
- 672: 3,8 GHz

Cedar Mill

L1-Cache: 16 KB (Daten) plus 16.000 µOps (Instruktionen)
L2-Cache: 2048 KB mit Prozessortakt
MMX, SSE, SSE2, SSE3, EM64T, EIST, XD-Bit, Hyper-Threading
LGA775, AGTL+ mit 200 MHz Front Side Bus (quadpumped: FSB 800)
Erscheinungsdatum: 5. Januar 2006
Fertigungstechnik: 65 nm
Die-Größe: 81 mm² bei 188,0 Millionen Transistoren
Taktraten: 3,00 bis 3,80 GHz
Modellnummern:
- 631: 3,0 GHz
- 641: 3,2 GHz
- 651: 3,4 GHz
- 661: 3,6 GHz
- 671: 3,8 GHZ

Siehe auch

Weblinks

http://www.intel.de