Intel Pentium 4
Der Prozessor Pentium 4 ist eine komplette Neuentwicklung von Intel und hat mit seinem Vorgänger, dem Pentium III, der auf den Pentium Pro basiert, nur wenig gemeinsam. Schaut man sich die innere Struktur des Pentium 4 genauer an, so wurde hier einiges umgekrempelt. Mit neue entwickelten Prozessortechniken, wie Netburst, Hyper-Pipelining, Hyper-Threading, Trace-Cache und Double Pumped ALU ging Intel völlig neue Wege.
Aber nicht nur intern sieht der Pentium 4 anders aus. Auch um den Prozessor herum hat sich einiges verändert. Der Pentium 4 ist ein gewöhnlicher Sockel-Prozessor auf dem ein riesiger Kühlkörper mit Lüfter zusammen mit dem PC-Gehäuse verschraubt wird. Das bedeutet, es wird ein Gehäuse benötigt, das die entsprechenden Verschraubungen besitzt.
Das Gehäuse, sowie das Netzteil, müssen der ATX-Spezifikation Version 2.03 zugrunde liegen, da das Netzteil auch über zwei zusätzliche Stecker mit dem Motherboard verbunden werden muss. Diese Maßnahmen hat Intel Aufgrund des hohen Strombedarfs seiner Prozessoren getroffen. Und somit Probleme durch die Stromversorgung, wie es bei den Athlon-Systemen von AMD vorkommen konnte, auszuschließen.
Die Frequenzen der Einstiegsmodelle liegen bei 1,4 und 1,5 GHz. Ursprünglich sollten Taktraten von bis zu 5 GHz möglich sein.
Der Pentium 4 ist auch in spezieller Small-Form-Factor-(SFF-)Ausführung mit geringeren Abmessungen und Stromverbrauch erhältlich. Dieses Ausführung ist für kompakte Computerbauformen gedacht.
Architektur des Intel Pentium 4
Damit alle Verarbeitungseinheiten möglichst ausgelastet werden können, wurde der Befehlscache (L1) hinter den Befehlsdecoder angeordnet. Somit sind bereits die decodierten x86-Befehle (µOps) enthalten. Innerhalb des Befehlscaches wird eine Sprungvorhersageanalyse durchgeführt. Um die Effizienz des Caches zu steigern werden nur solche Befehle gespeichert, die auch wirklich gebraucht werden.
In der Integer-Unit hat Intel eine 20stufige Pipeline eingebaut, mit zwei gedoppelten ALUs (Arithmethical Logical Unit) und AGUs (Address Generation Unit), die in ihrer Wirkung jeweils zwei Einheiten entsprechen, aber über einen Multiplexer abgefragt werden. Der Multiplexer ist also doppelt so schnell, wie die Verarbeitungsgeschwindigkeit der ALUs und AGUs. SSE2 ist eine Erweiterung, die SSE (Streaming SIMD Extension) und MMX (Multimedia Extension) zusammenfasst.
Der Datencache (L1) ist mit 8 KByte sehr klein ausgefallen. Dafür können Prozessorkern und L2-Cache gleichzeitig darauf zugreifen. Der L2-Cache ist mit 256 kByte ausgestattet.
Der Front-Side-Bus des Pentium 4 wird mit 100 MHz und 64 Bit breit betrieben. Pro Takt werden 4 Datenwörter (quad pumped) zwischen Prozessor und Northbridge übertragen. Dadurch kommt man auf eine theoretische Datenrate von 3,2 GByte/s.
Prozessor-Vergleich
Stand: 20.11.2000
| Prozessor | Pentium 3 | Athlon | Pentium 4 |
| Codename | Coppermine | Thunderbird | Willamette |
| Transistoren | 28,1 Mio. | 37 Mio. | 42 Mio. |
| Die-Größe | 106 mm² | 120 mm² | 217 mm² |
| multiprozessorfähig | ja | ja | nein |
| Integer-Pipeline(Stufen) | 10 | 11 | 20 |
| L1-Datencache | 16 kByte | 64 kByte | 8 kByte |
| L1-Befehlscache | 16 kByte | 64 kByte | 12 kµOPs |
| L2-Cache | 256 kByte | 256 kByte | 256/512 kByte |
| Busbreite L2 | 256 Bit | 64 Bit | 256 Bit |
| Bandbreite L2 | 16 GByte/s | 9,6 GByte/s | 48 GByte/s |
| Bandbreite FSB | 1 GByte/s | 2,1 GByte/s | 3,2 GByte/s |
| Verbrauch | ~ 33 W | ~ 66 W | ~ 60 W |
Intel Pentium 4 mit Northwood-Kern
Der Umstieg auf den Northwood-Kern brachte eine Verdopplung des L2-Caches auf 512 kByte und eine Taktanhebung des Front-Side-Busses auf 133 MHz. Gleichzeitig wechselte Intel den Fertigungsprozess von 0,18 µm auf 0,13µm um die Taktraten in Richtung 3 GHz zu steigern.
Intel Pentium 4 mit Hyper-Threading (HT)
Das Hyper-Threading (HT) im Intel Pentium 4 ab 3,06 GHz ermöglicht Software zwei anstatt eines Prozessors zu sehen. Die HT-Technologie ermöglicht es mehrere Programme gleichzeitig ohne Verzögerung auszuführen. Dabei wurde die Leistung eines Computers um bis zu 25 Prozent gesteigert. Erforderlich für die Hyper-Threading-Technologie sind ein Computersystem mit einem Intel Pentium 4 mit Hyper-Threading, ein Chipsatz und BIOS, die das unterstützen, sowie ein Betriebssystem, das entsprechend optimiert ist. Die Leistungsteigerung kann trotzdem je nach verwendeter Hardware und Software unterschiedlich sein.
Hyper-Threading bietet dem Computeranwender auf zwei Arten eine gesteigerte Leistung. Durch den Einsatz von multithreaded Software oder den Einsatz von Software in einer Multitasking-Umgebung, wie Windows XP ab Service Pack 1 (SP1) oder Linux ab Kernel 2.4. Wenn ein Softwareprogramm so geschrieben wurde, dass es aus mehreren Programmteilen (Threads) besteht, bietet der Pentium 4 Prozessor ab 3,06 GHz und Hyper-Threading zwei logische Prozessoren an. Zwei Threads werden dann gleichzeitig bearbeitet. Das Resultat ist in beiden Fällen eine geringere Wartezeit und mehr Leistung.
In Windows 2000 (mäßige Hyper-Threading-Unterstützung) sowie Windows XP wird die Prozessor-Auslastung in zwei Diagrammen angezeigt (Windows-Taskmanager / Systemleistung), anstatt nur in einem. So lässt sich auch ganz einfach prüfen, ob Hyper-Threading aktiviert ist oder nicht.
Intel Pentium 4 Extreme Edition (Gallatin)
Weil AMD mit dem Athlon 64 FX einen speziellen Prozessor für leistungshungrige Spieler herausbrachte, wollte Intel dem in nichts nachstehen und hat den Pentium 4 Extreme Edition herausgebracht.
Der Kern hat den Namen Gallatin, der eigentlich für den Xeon-Prozessor gedacht war und mit 178 Millionen Transistoren und 237 mm² sehr groß ausfällt.
Die Extreme Edition enthält keine SSE3-Befehlserweiterung.
Intel Pentium 4E (Prescott)
Der Prescott hat einen doppelt so großen L1-Daten- und einen auf 1 MByte verdoppelten L2-Cache sowie ein paar Verbesserungen in der Mikroarchitektur und 13 neue Befehle (SSE3). Er ist damit jedoch kaum vom Pentium 4 Extreme Edition in der Performance zu unterscheiden.
Rein äußerlich hat sich gegenüber dem Northwood-Kern nichts geändert. Außer der kleineren Halbleiterstrukturen von 90 nm hat der Prozessor die gleiche Größe und gleiches Pinout wie sein Vorgänger.
Der Buchstabe J in der Typenbezeichnung (z. B. Pentium 4 570J) steht für die Funktionserweiterung Execute-Disable-Marking. Es handelt sich um das NX-Flag, das als No-Execute-Speicherschutz bekannt ist und Betriebssysteme gegen Buffer-Overflow-Attacken durch Viren und Würmer schützen soll. Intel nennt diese Funktion auch XD.
Pentium 4 vor dem Aus
Aufgrund des enormen Stromverbrauchs und der dadurch resultierenden Hitzeentwicklung beim Pentium 4 (Prescott) hat Intel die Weiterentwicklung des Pentium 4 Kerns eingestellt. Beim Pentium 4 571J mit 3,8 GHz war endgültig Schluss. Stattdessen setzt Intel auf einen leicht modifizierten Prescott-Kern (Prescott 2M). Der neue Prozessor vereint Transistoren mit geringem Stromverbrauch, gestrecktem Silizium (Strained Silicon) schnelle Kupfer-Interconnects und ein neues dielektrischen Materials mit niedrigem K-Wert (low-k dielectric). Zusätzlich hat Intel einen neue Stromsparfunktion mit dem Namen Enhanced Intel Speedstep Technology (EIST), kurz Speedstep, eingeführt. Im Betrieb reduzieren einige Pentium-4-Varianten ihre Taktfrequenz auf 2,8 GHz und die Versorgungsspannung (E0-Stepping), was deutliche Energieeinsparungen und geringeren Kühlungsaufwand bringt. Trotzdem sind noch leistungsfähigere Kühler als beim Vorgänger notwendig.
Anstelle der 478 Kontakte kommt eine neue Prozessorbauform mit veränderter Verbindung zum Sockel.
Statt Pins auf der Prozessorunterseite drücken flache Kontakte im Sockel auf kleine Blattfedern und stellen so eine Verbindung her. Ein Klappdeckel mit modifiziertem Arretierverfahren presst die CPU fest in den Sockel. Dieses Verfahren soll für eine bessere Verbindung sorgen und verbogene Pins vorbeugen. Der Sockel T hat insgesamt 775 Kontakte. Der Formfaktor, die Bauform, wird LGA-775 genannt.
Prozessor-Übersicht: Intel Pentium 4
Stand: 16.03.2007
| Codename | Taktfrequenzen in GHz | FSB (MHz) | Cache | Struktur |
|---|---|---|---|---|
| Willamette | 1,3 / 1,4 / 1,5 / 1,6 / 1,7 / 1,8 / 1,9 / 2,0 (FSB400) | 400 (4 x 100 MHz) | 256 kByte (L2) | 0,18 µm |
| Northwood | 1,8 / 2,0A / 2,2 / 2,4 / 2,5 / 2,6 (FSB400) 2,266 / 2,4B / 2,533 / 2,666 / 2,8 (FSB533) |
400 (3 x 133 MHz) 533 (4 x 133 MHz) |
512 kByte (L2) | 0,13 µm |
| Northwood HT | 3,066 (FSB533) 2,4 / 2,6 / 2,8 / 3,0 / 3,2 / 3,4 (FSB800) |
533 (4x 133 MHz) 800 (4x 200 MHz) |
512 kByte (L2) | 0,13 µm |
| Gallatin (Extreme Edition) |
3,2 / 3,4 (FSB800) 3,46 (FSB1066) |
800 (4x 200 MHz) 1066 |
512 kByte (L2) / 2 MByte (L3) | 0,13 µm |
| Prescott | 2,4A / 2,8A / 3,06 / 3,2 (FSB533, ohne HT) 2,8 / 3,0 / 3,2 / 3,4 / 3,6 / 3,8 (FSB800) |
533 (4x 133 MHz) 800 (4x 200 MHz) |
1024 kByte (L2) | 0,09 µm |
| Prescott 2M (Extreme Edition) |
3,73 (FSB1066) | 1066 | 2048 kByte (kein L3-Cache) | 0,09 µm |
| Prescott 2M | 2,8 / 3,0 / 3,2 / 3,4 / 3,6 / 3,8 (FSB800) | 800 (4x 200 MHz) | 2048 kByte | 0,09 µm |
| Modell | Kerntakt | FSB | L2-Cache | Besonderheiten |
|---|---|---|---|---|
| Intel Pentium 4 (Kern: Northwood), 130 nm | ||||
| 518 | 2,80 GHz | 533 MHz | 1 MByte | - |
| 524 | 3,06 GHz | 533 MHz | ? | ? |
| 531 | 3,00 GHz | 533 MHz | ? | ? |
| 532 | 3,06 GHz | 533 MHz | 1 MByte | EIST |
| 538 | 3,20 GHz | 533 MHz | 1 MByte | EIST |
| 541 | 3,20 GHz | 533 MHz | ? | ? |
| 548 | 3,33 GHz | 533 MHz | 1 MByte | EIST |
| 552 | 3,46 GHz | 533 MHz | 1 MByte | EIST |
| Intel Pentium 4 (Kern: Prescott), 90 nm | ||||
| 505 | 2,66 GHz | 533 MHz | 1 MByte | NX |
| 505 | 2,8 GHz | 800 MHz | 1 MByte | NX |
| 505J | 2,66 GHz | 533 MHz | 1 MByte | NX |
| 506 | 2,66 GHz | 533 MHz | 1 MByte | EM64T, NX |
| 511 | 2,8 GHz | 533 MHz | 1 MByte | EM64T, NX |
| 515 | 2,93 GHz | 533 MHz | 1 MByte | NX |
| 516 | 2,93 GHz | 533 MHz | 1 MByte | EM64T, NX |
| 517 | 2,93 GHz | 533 MHz | 1 MByte | EM64T, NX |
| 519 | 3,06 GHz | 533 MHz | 1 MByte | NX |
| 519K | 3,06 GHz | 533 MHz | 1 MByte | EM64T, NX |
| 520 | 2,8 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT |
| 520J | 2,8 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT, NX, C1E |
| 521 | 2,8 GHz | 800 MHz | 1 MByte | NX |
| 521 | 2,8 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT, EM64T, NX, C1E |
| 524 | 3,06 GHz | 533 MHz | 1 MByte | EM64T, NX |
| 530 | 3,0 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT |
| 530J | 3,0 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT, NX, C1E |
| 531 | 3,0 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT, EM64T, NX, C1E |
| 540 | 3,2 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT |
| 540 | 3,2 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT, EM64T, NX, C1E |
| 540J | 3,2 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT, NX, C1E |
| 541 | 3,2 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT, EM64T, NX, C1E |
| 550 | 3,4 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT |
| 550 | 3,4 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT, EM64T, NX, C1E |
| 550J | 3,4 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT, NX, C1E |
| 551 | 3,4 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT, EM64T, NX, C1E |
| 560 | 3,6 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT |
| 560 | 3,6 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT, EM64T, NX, C1E |
| 560J | 3,6 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT, NX, C1E |
| 561 | 3,6 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT, EM64T, NX, C1E |
| 570 | 3,8 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT |
| 570J | 3,8 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT, NX, C1E |
| 571 | 3,8 GHz | 800 MHz | 1 MByte | HT, EM64T, NX, C1E |
| Intel Pentium 4 (Kern: Prescott 2M), 90 nm | ||||
| 620 | 2,8 GHz | 800 MHz | 2 MByte | HT, EM64T, NX |
| 630 | 3,0 GHz | 800 MHz | 2 MByte | HT, EM64T, NX |
| 630 | 3,0 GHz | 800 MHz | 2 MByte | HT, EM64T, NX, C1E, EIST |
| 640 | 3,2 GHz | 800 MHz | 2 MByte | HT, EM64T, NX |
| 640 | 3,2 GHz | 800 MHz | 2 MByte | HT, EM64T, NX, C1E, EIST |
| 650 | 3,4 GHz | 800 MHz | 2 MByte | HT, EM64T, NX |
| 650 | 3,4 GHz | 800 MHz | 2 MByte | HT, EM64T, NX, C1E, EIST |
| 660 | 3,6 GHz | 800 MHz | 2 MByte | HT, EM64T, NX, C1E, EIST |
| 662 | 3,6 GHz | 800 MHz | 2 MByte | HT, EM64T, NX, VT, C1E, EIST |
| 670 | 3,8 GHz | 800 MHz | 2 MByte | HT, EM64T, NX, C1E, EIST |
| 672 | 3,8 GHz | 800 MHz | 2 MByte | HT, EM64T, NX, VT, C1E, EIST |
| Intel Pentium 4 (Kern: Cedar Mill), 81 mm², 188 Mio. Transistoren, 65 nm, LGA775 | ||||
| 631 | 3,0 GHz | 800 MHz | 2 MByte | HT, EM64T, NX, C1E, EIST |
| 641 | 3,2 GHz | 800 MHz | 2 MByte | HT, EM64T, NX, C1E, EIST |
| 651 | 3,4 GHz | 800 MHz | 2 MByte | HT, EM64T, NX, C1E, EIST |
| 661 | 3,6 GHz | 800 MHz | 2 MByte | HT, EM64T, NX, C1E, EIST |
| Modell | Kerntakt | FSB | L2-Cache | Besonderheiten |
|---|---|---|---|---|
| Intel Pentium 4 Extreme Edition (Kern: Gallatin), 130 nm | ||||
| 3,20 GHz | 3,20 GHz | 800 MHz | 2 MByte | HT |
| 3,40 GHz | 3,40 GHz | 800 MHz | 512 kByte / 2 MByte (L3) | HT |
| 3,46 GHz | 3,46 GHz | 1066 MHz | 512 kByte / 2 MByte (L3) | HT |
| Intel Pentium 4 Extreme Edition (Kern: Prescot 2M), 90 nm | ||||
| 3,73 GHz | 3,73 GHz | 1066 MHz | 2 MByte | HT, EM64T, NX |