Микропроцессоры

Процессоры вставляются в новое гнездо Socket 423; 

• Использует высокопроизводительную 400 МГц системную шину.

Совокупность технических решений, применённых в процессоре Pentium 4, даже получила собственное название: «архитектура NetBurst».

Основные особенности  архитектуры Intel NetBurst

Для того, чтобы процессоры могли  работать на частотах порядка нескольких гигагерц Intel увеличил длину конвейера Pentium 4 до 20 стадий (Hyper Pipelined Technology) за счет чего удалось даже при текущих  технологических нормах (0,18мкм) добиться работы процессора на частоте в 2ГГц. Названием Hyper Pipelined Technology конвейер Pentium 4 обязан своей длине – 20 стадий. Для сравнения – длина конвейера Pentium III составляет 10 стадий. Чего же достиг Intel, так удлинив конвейер? Благодаря декомпозиции выполнения каждой команды на более мелкие этапы, каждый из этих этапов теперь может выполняться быстрее, что позволяет беспрепятственно увеличивать частоту процессора. Так, если при используемом технологическом процессе 0.18 мкм предельная частота для Pentium III составляет 1 ГГц (по более оптимистичным оценкам, 1.13 ГГц), то Pentium 4 мог достигнуть частоты в 2 ГГц. Однако у чрезмерно длинного конвейера есть и свои недостатки. Первый недостаток очевиден – каждая команда теперь, проходя большее число стадий, выполняется дольше. Поэтому, чтобы младшие модели Pentium 4 превосходили по производительности старшие модели Pentium III, частоты Pentium 4 начинаются с 1,4 ГГц. Если бы Intel выпустил Pentium 4 с частотой 1 ГГц, то этот процессор, несомненно, проиграл в производительности Pentium III 1 ГГц. Второй недостаток длинного конвейера вскрывается при ошибках в предсказании переходов.

Из-за такого увеличения длины конвейера время выполнения одной команды в процессорных тактах также сильно увеличивается. Поэтому компания сильно поработала над алгоритмами предсказания переходов (Advanced Dynamic Execution). Advanced Dynamic Execution - осуществляет минимизацию простоя процессора при неправильном предсказании переходов и увеличение вероятности правильных предсказаний. Для этого Intel улучшил блок выборки инструкций для внеочередного выполнения и повысил правильность предсказания переходов. Правда, для этого алгоритмы предсказания переходов были доработаны минимально, основным же средством для достижения цели было выбрано увеличение размеров буферов, с которыми работают соответствующие блоки процессора. Количество предварительно загружаемых инструкций увеличилось до 126 по сравнению с 48 у Pentium III. Буфер, хранящий адреса условных переходов, также увеличился с 512 байт до 4 КБ. Все это позволило увеличить вероятность правильного предсказания переходов на 33%.

Для ускорения работы целочисленных операций в Pentium 4 применена технология удвоения внутренней тактовой частоты (Rapid Execution Engine). Два блока АЛУ (арифметико-логическое устройство), выполняющие операции над целочисленными данными, работают на частоте вдвое большей, чем частота самого процессора. Таким образом, например, в Pentium 4 с частотой 1.4 ГГц ALU работает на частоте 2.8 ГГц. В ALU исполняются простые целочисленные инструкции, поэтому, производительность нового процессора при операциях с целыми числами была очень высокой. Однако, на производительности Pentium 4 при операциях с вещественными числами, MMX или SSE двукратное ускорение ALU никак не сказывается.

Кэш 1-го уровня в процессоре также  претерпел значительные изменения. В отличие от Pentium III, кэш которого мог хранить команды и данные, Pentium 4 имеет всего 8 КБ кэш данных. Команды, поступающие на исполнение процессору, сохраняются в так называемом Trace Cache. Там они хранятся уже в декодированном виде, т.е. в виде последовательности микроопераций, поступающих для выполнения в исполнительные устройства процессора. Емкость этого кэша составляет 12000 микроопераций. Для кэширования инструкций теперь используется Trace Cache, однако по сравнению с обычным L1-кэшем он имеет много преимуществ, направленных опять же на минимизацию простоев процессора при выполнении неправильных предсказаний переходов. Кэш 2-го уровня в Pentium 4, сделанном на ядре Willamette, остался объемом 256 КБ.

Самой интересной особенностью новых  процессоров Pentium 4 является расширение набора команд процессора инструкциями Streaming SIMD Extensions 2 (SSE2). В отличие от AMD, которая сильно переработала блок FPU, Intel решила оставить его практически без изменений, но зато дополнила его множеством команд для работы с потоками данных. К 70 инструкциям SSE, работающим с потоковыми данными одинарной точности добавились 144 инструкции для работы с числами двойной точности, а также с целыми числами длиной от одного до восьми байт.

Intel Pentium IV (ядро Northwood)

Можно только позавидовать активности и жизненной энергии компании Intel. Казалось бы - чем можно заниматься 3 января, кроме как лежать, да отсыпаться после новогоднего веселья. Но именно 3 января, когда лишь немногие особо стойкие представители компьютерной общественности добирались до своих компьютеров, Intel официально анонсировал новую версию процессора Celeron. Но лишь для того, чтобы разбудить всех, кто к тому времени еще не проснулся. Ведь уже 7 числа компания представила долгожданные процессоры Pentium 4, выполненные по 0.13 мкм техпроцессу и основанные на ядре Northwood.

По большому счету, у  ядра Northwood есть всего несколько  существенных отличий от Willamette:

• Более тонкий техпроцесс: 0.13 мкм против 0.18 мкм;
• Вдвое увеличенный объем кэш-памяти второго уровня;
• Кристалл процессора содержит 55 млн. транзисторов.

Как бы то ни было, но именно заветные 0.13 мкм дают Intel возможность и  дальше продолжать интенсивное увеличение частот, так необходимое Pentium 4 и его  длинному конвейеру.

    Чуть позже после существенного усовершенствования архитектуры процессора Pentium 4 (переход на 0,13-микронную технологию) корпорация Intel сделала следующий шаг, увеличив тактовую частоту внешней шины процессора с 400 до 533 МГц. Были объявлены две модели Pentium 4 — с тактовыми частотами 2,4 и 2,26 ГГц. В поддержку нового процессора был выпущен чипсет i850E. От i850 он отличается только возможностью взаимодействовать с ЦП на частотах как 400, так и 533 МГц (пропускная способность шины соответственно 3,2 и 4,2 Гб/с). Производительность системы в сравнении с 2 ГГц процессором Willamette увеличилась на 21% на деловых пакетах и на 20% — на задачах издательского дела и мультимедиа. Наибольший прирост производительности — 35% — отмечался на задачах обработки трехмерной графики.  
  Позже был выпущен процессор Pentium 4 с тактовой частотой 2,53 ГГц. По производительности этот процессор практически не отличался от процессора Pentium 4 2,4 ГГц.     

Наконец-то Intel выпустил по-настоящему быстрый процессор и своевременно снабдил его быстрым чипсетом, поддерживающим распространенные стандарты. Именно 0.13 мкм и открывает перед Intel широкие перспективы развития платформы Pentium 4.

 Pentium 4 2.8 ГГц

Длинный конвейер - не это ли свойство процессоров Pentium 4 было главным объектом критики? Первые процессоры Pentium 4 1.4 ГГц едва могли сравняться в скорости работы с Pentium III 1 ГГц и Athlon 1 ГГц. Основным виновником столь неутешительных результатов был единогласно провозглашен конвейер, насчитывающий более 20 стадий. Однако, если взглянуть на проблему с другой стороны, длинный конвейер сулит и немалую выгоду - прежде всего, он дает возможность процессору работать на больших тактовых частотах. Если Pentium III, выполненный по технологии 0.18 мкм, с большим трудом смог дойти лишь до частоты 1.13 ГГц, то Pentium 4, изготовленный по тем же технологическим нормам, дорос до 2 ГГц. И нет никаких сомнений в том, что такой частоты ему удалось достичь во многом благодаря использованию длинного конвейера.

Можно с уверенностью утверждать, что возможность работы на высоких  частотах была изначально заложена в архитектуре Pentium 4. И, успешно наладив выпуск процессоров по более совершенному 0.13 мкм техпроцессу, Intel имеет прекрасную возможность продолжать развитие линейки Pentium 4. Комбинация 0.13 мкм техпроцесса, который далеко еще не исчерпал свой потенциал, позволила Intel оторваться от главного конкурента - AMD - почти на 1 ГГц.

Новый процессор Pentium 4 2.8 ГГц официально представлен в августе 2002 года. 

Основные характеристики Pentium 4 2.8 ГГц:

• Ядро Northwood;
• Технология изготовления - 0.13 мкм;
• Частота системной шины - 533 МГц;
• Объем кэш-памяти второго уровня - 512 Кб.

Увеличив до 2.8 ГГц частоту, Intel пришлось несколько поднять напряжение ядра. Если Pentium 4 2.53 ГГц для работы необходимо 1.5 В, то Pentium 4 2.8 ГГц требует уже 1.55 В. Впрочем, это обстоятельство не оказывает значительного влияния на работоспособность и надежность процессора.

Intel Pentium IV 3,06 ГГц (Hyper-Threading)

В ноябре 2002г. корпорация Intel выпустила  процессор Pentium 4 с частотой 3,06 ГГц, оснащенный технологией Hyper-Threading, которая превращает персональный компьютер с одним физическим процессором в систему с двумя логическими процессорами, работающими во многом независимо друг от друга. Технология превращения однопроцессорного ПК в фактически двухпроцессорную машину (именно так она и видится операционными системами) как нельзя лучше подходит для использования ПК в качестве рабочей станции.

Hyper-Threading - это многопроцессорность,  только виртуальная, так как  процессор Pentium 4 на самом деле один, а процессоров ОС видит — два. У процессора предусмотрены два основных режима работы: Single-Task (ST) и Multi-Task (MT). В режиме ST активным является только один логический процессор, который безраздельно пользуется доступными ресурсами (режимы ST0 и ST1); другой LP остановлен командой HALT. При появлении второго программного потока бездействовавший логический процессор активируется (посредством прерывания), и физический CPU переводится в режим MT.  

Не все ОС, даже поддерживающие многопроцессорность, могут работать с таким CPU. ОС без поддержки ACPI, второй логический процессор увидеть не смогут. Кроме того, BIOS системной платы также должен уметь определять наличие процессора с поддержкой Hyper-Threading. Кроме ОС, BIOS и электронной платы, с технологией Hyper-Threading должен быть совместим еще и чипсет.

Intel Pentium 4 3.06 ГГц является  первым CPU в семействе, поддерживающем  технологию Hyper-Threading, и имеет следующие  характеристики:

• Частота ядра – 3066 МГц, частота шины Quad Pumped Bus - 533 МГц;
• Размер кэша первого уровня: 8 Кбайт – для данных, 12 Кбайт – для инструкций. Размер кэша второго уровня – 512 Кбайт;
• Процессорное ядро Northwood. Технология производства – 0.13 мкм с использованием медных соединений;
• Номинальное напряжение питания ядра – 1.525 В;
• Площадь ядра – 131 кв. мм, число транзисторов – 55 миллионов;
• Физический интерфейс – Socket 478;
• Поддержка наборов инструкций MMX, SSE, SSE2;
• Поддержка технологии Hyper-Threading.

Intel Pentium IV Prescott

Долгое время компания Intel говорила о выходе нового ядра, которое в СМИ уже успели назвать Pentium 5. Долгое время выпуск нового ядра под названием Prescott переносился сначала с осени 2003 года на декабрь, а затем и вовсе на первый квартал 2004 года. Понимая, что ждать более нельзя Intel решилась на его выпуск. Линейка процессоров на ядре Prescott была представлена 2 февраля 2004 года. Также были представлены Pentium 4 на ядре Northwood, с частотой 3,40 ГГц и Pentium 4 Extreme Edition, с такой же частотой и прежними параметрами.

Традиционно, каждый принципиально  новый процессор ассоциируется  с новым техпроцессом. И действительно, все ждали появления новых  технологических норм 90 нм, которые  были обещаны компанией еще в 2003 году. И, наконец, Prescott, выполненный по техпроцессу 0,09 мкм появился. Каждый новый техпроцесс предполагает увеличение выгодности производства путем получения большего количества кристаллов с одной пластины, уменьшение размеров кристалла вместе с уменьшением его тепловыделения и, наконец, большие частоты работы самих кристаллов. Только вот с проектной нормой 90 нм ситуация оказалась гораздо сложнее. Во-первых, транзисторы такого размера достаточно сложно производить одинаковыми. При таких размерах и многослойной металлизации возникает несовпадение напылённых и окисленных областей, которые образуют затворы и исток со стоком, в результате чего возникает большой разброс параметров транзисторов. Во-вторых, из-за маленькой длины затвора сложно управлять параметрами транзистора. С одной стороны это улучшает скоростные показатели транзистора (переключение происходит быстрее), но с другой – увеличивает токи утечки транзистора. Это заставляет поднимать напряжение для управления током через затвор для гарантированного переключения транзистора, что в свою очередь увеличивает тепловыделение. Так вот, технология 90 нм неожиданно привела производителей к большим рабочим температурам кристалла. Это и есть главная причина, по которой выпуск нового Prescott постоянно откладывался.

Новая линейка Prescott, состоит из моделей с частотами от 2,8 до 3,4 ГГц. Все модели выпущены с частотой шины 800 МГц.  Для отличия от аналогичных моделей на ядре Northwood маркируются постфиксом E. Кроме того, модель 2,8 также выпущена с шиной 533 МГц и маркируется как 2,8А. Prescott содержит 125 млн. транзисторов, при том, что площадь кристалла даже немного уменьшилась и стала 112 мм².

В Prescott используется большое количество нововведений. Среди них – использование  семислойной медной металлизации между  транзисторами, применение диэлектрика CDO (Carbon Doped Oxide) с низким диэлектрическим коэффициентом вместо прежнего SIOF в межсоединениях. В новом процессоре увеличили объем кэша данных L1 до 16 КБ и L2 до 1 МБ. Новинка также отличается дополнительными буферами, поддержкой SSE3. Главной особенностью новой архитектуры Prescott стало удлинение конвейера с 20 до 31 стадии. Конвейер стал длиннее, но сами стадии укоротились по времени. Соответственно изменилось и прохождение инструкций по конвейеру. Увеличение количества стадий позволило поднять тактовую частоту.  Как известно, увеличение стадий конвейера грозит потерями тактов при перезагрузке конвейера в случае неправильного предсказания ветвления. Поэтому, была улучшена схема предсказания ветвлений. Теперь процессор может анализировать возможную длину перехода и наличие цикла, а также распознавать его тип. Конвейер Prescott был специально изменен для большего параллелизма. Разработчики ввели понятие асинхронных потоков, которые делятся на главные и виртуальные (вспомогательные). Главный поток выполняется с наибольшим приоритетом, а виртуальный меж собой переключается и чередуется.