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.
Для усовершенствования архитектуры также было увеличено число всевозможных буферов. Прежде всего, это WC-буферы, которые отвечают за сбрасывание данных в оперативную память при переполнении кэша L2. Их количество пришлось увеличить примерно до 4000, видимо, из-за удвоения кэша L2.
Итак, сделан еще один шаг на пути, указанном Гордоном Муром, — был выпущен первый процессор по проектным нормам 0,09 мкм. Результаты отчасти разочаровывают: резко увеличилось тепловыделение, тесты не показывают заметного роста производительности, причем значительная доля из них вообще говорит о снижении вычислительной мощи. Процессор, которому прочили звание процессора нового поколения – Pentium 5 – оказался лишь технологическим развитием старой линейки Northwood, тем более что стартовал он на тех же частотах, что и его предшественник, выполненный по техпроцессу 0,13 мкм. Что касается разгона кристаллов, то новый Prescott 3,20 едва ли «дотягивает» до 3,40, в то время как новый Northwood 3.40 спокойно «заводится» на 4 ГГц. Но не все так плохо — реальные приложения, в отличие от тестов, оказываются более чувствительными к увеличению объема кэш-памяти. Высокая температура кристалла процессора, малый разгон кристаллов – всё это говорит о том, что существующее ядро Prescott вовсе не окончательное, а переходное. И не смотря на все недостатки нового процессора, будущее технологий, так или иначе, за Prescott!