Intel Pentium 4

Wikipedia

Tämän artikkelin tai sen osan kieliasua on pyydetty parannettavaksi. Voit auttaa Wikipediaa parantamalla artikkelin kieliasua.

Intel Pentium 4 on Intelin valmistama suoritin, jonka ensimmäinen versio julkaistiin marraskuussa 2000. Sen suunnittelussa otettiin huomioon kuvan- ja videonkäsittelyn sekä pelien ja muun multimedian asettamat vaatimukset.

Pentium 4:n suunnittelufilosofia perustuu siihen, että sen pystyy pitkän liukuhihnansa ansiosta kellottamaan suuriin kellotaajuuksiin, jolloin käskyjä voidaan suorittaa tiuhempaan tahtiin. Edeltäjistään poikkeavaa suunnittelufilosofiaa kutsuttiin nimellä netBurst.

Käytännössä tämä suunnittelufilosofia soveltuu hyvin vain ohjausvuon osalta yksinkertaiseen laskentaan. Se myös monimutkaisti piirin ohjausyksikköä, joten muussa kuin DSP-tyyppisessä laskennassa Pentium 4 ei suuresta kellotaajuudestaan huolimatta tarjonnut suorituskykyetua perinteisimpiin suorittimiin nähden.

Suorittimella oli myös suuri 128 tavun kokoinen välimuistin lohkokoko, minkä takia se soveltui paljon muistikaistaa käyttävään DSP-laskentaankin; toisaalta se vaati enemmän kaistaa muistilta muita ohjelmia ajettaessa.

Pentium 4:n väylä on 64-bittinen ja se siirtää tietoa neljä (4) kertaa kellojaksossa. (Väylän nopeudeksi ilmoitetaan yleensä tiedonsiirtoväli eikä kellotaajuutta.)

Alun perin Pentium 4 -suorittimien väylä oli "vain" 32-bittinen, mutta vuonna 2004 Intel siirtyi 64-bittisiin suorittimiin. Pentium 4 -suorittimien aikakautena Intel julkisti myös SSE2- ja SSE3-käskykantalaajennukset. Vuonna 2005 Intel korvasi Pentium 4 -suorittimet kaksiytimisillä Pentium D- ja Pentium Extreme -suorittimilla.

Sisällysluettelo 1 Arkkitehtuuri 2 Willamette 3 Northwood 4 Prescott 5 Pentium 4 Extreme Edition 6 Pentium 4:n loppu

[muokkaa] Arkkitehtuuri

Netburst-arkkitehtuuri suunniteltiin korkeille kellotaajuuksille. Ensimmäiset suorittimet olivat synteettisissä testeissä edeltäjiään, Pentium III -suorittimia selvästi nopeampia. Perinteisissä suorituskykytesteissä Pentium 4 -suorittimet olivat jopa edeltäjiään hitaampia.

Tämän takia Pentium 4 -suorittimet otettiin markkinoilla vastaan ristiriitaisin tuntein: Ohjelmistotuottajat eivät pitäneet suorittimesta, sillä sen vuoksi koodia jouduttiin optimoimaan juurta jaksaen uudelleen. Suuremmista kellotaajuuksistaan huolimatta se oli esimerkiksi matemaattisissa testeissä miltei yhtä hidas kuin AMD:n suorittimet.

Intel puolustautui sanomalla, että suorittimet olisivat paljon nopeampia, mikäli ohjelmat olisi optimoitu paremmin SSE2-käskykantalaajennusta silmällä pitäen. InfoWorld-lehden toimittaja Tom Yager kehui Pentium 4 -suorittimia nopeiksi tilanteissa, joissa kaikki tarvittava tieto mahtuu suorittimen välimuistiin. Tietokoneen ostajat välttelivät Pentium 4 -suorittimia niiden huonon hinta-laatusuhteen vuoksi. Pentium 4 -suorittimia tarkasteltaessa mieleen painuu se, että niitä markkinoitiin näyttävin kellotaajuuslukemin.

Kaksi perinteistä tapaa tutkia suorittimen nopeutta on MIPS (mikro-operaatioita per sekunti) ja kellotaajuus. Näistä MIPS on vaikeammin mitattavissa. Hävittyään molempiin tapoihin perustuvissa nopeustesteissä AMD ei voinut käyttää kumpaakaan näistä keinoista, joten he kehittivät mainoskampanjan, jonka aikana Athlon-suorittimet nimettiin vastaamaan suurin piirtein Intel-suorittimien taajuuslukemia.

Ryhdyttyään valmistamaan Pentium 4 -suorittimia Intel ilmoitti odottavansa NetBurst-arkkitehtuurilta yli 10 gigahertsin kellotaajuuksia, useiden eri valmistusprosessien ansiosta. Niin pitkälle NetBurst-arkkitehtuuri ei kuitenkaan yltänyt; kellotaajuudeltaan nopein markkinoille tullut suoritin jäi alle 4 gigahertsin.

[muokkaa] Willamette

Ensimmäisen sukupolven Pentium 4 -suoritin, koodinimeltään Willamette, oli valmistettu 0,18 um:n valmistustekniikalla, ja siinä oli 256 kilotavua L2-välimuistia. Se julkaistiin marraskuussa 2000. Willamettessa oli pitkä 20+8-vaiheinen liukuhihna; 8 vaihetta käskyjen purkamiseen ennen L1-käskyvälimuistia, joka tallensi valmiiksi purettuja käskyjä, ja 20 liukuhihnavaihetta L1-välimuistin jälkeen.

Arkkitehtuurin suunnittelu viivästyi useaan kertaan, mutta jo vuonna 1998 se koki päivänvalon, kun suorittimen suunnittelu aloitettiin. Tuohon aikaan Intelin uusin suoritinarkkitehtuuri perustui Pentium II -suorittimiin, ja silloin ajateltiin suorittimien tulevan toimimaan enimmillään vain gigahertsin kellotaajuudella. Suorittimen suunnittelun loppumetreillä koettiin jälleen useita viivästyksiä, ja koska suoritinarkkitehtuuri oli muuttunut Pentium 3:een verrattuna huomattavasti, Intel päätti siirtyä käyttämään uutta nimeä, Pentiu 4:ää.

Marraskuussa 2000 suorittimia alettiin markkinoida 1,4 – 1,5 gigahertsin kellotaajuuksilla. Tietotekniikan asiantuntijat pitivät suorittimia hätäratkaisuna, joka oli otettu käyttöön keskeneräisenä. Olihan AMD Athlon- ja Thunderbird-suorittimet Pentium 3:a paljon nopeampia, ja Pentium 3 -arkkitehtuuriin nähden merkittäviä parannuksia ei juurikaan ollut. Alun perin suorittimet laitettiin Socket 423 - kantaan, myöhemmin Intel siirtyi Socket 478 - kantaan.

Willamette-pohjaisia P4-suorittimia oli saatavilla 1,3–2 gigahertsin taajuuksilla, ja se kilpaili lähinnä AMD:n Athlonia ja Athlon XP:tä vastaan, häviten niille yleisessä suorituskyvyssä, mutta voittaen signaalinkäsittelynopeudessa.

Williamette-suorittimien kanssa käytettiin tyypillisesti kallista RDRAM-tyyppistä muistia, koska Intelin ensimmäinen Pentium 4 -piirisarja i850 tuki vain tätä muistia, ja ensimmäiset Intelin seuraavaa, SDRAM- ja DDR-muistia tukevaa i845-piirisarjaa käyttävät emolevyt eivät tukeneet DDR-muistia.

Käytännössä Williammette oli pienoinen pettymys, sillä se ei voittanut AMD athlon, ja Pentium 3 - suorittimia kaikissa käyttötilanteissa.

Williammetteä myytiin kohtalaisen vähän, sillä se käytti kallista RAMBUS - muistia. Näin ollen Intel pentium 3 - ja AMD athlon suorittimet pysyivät suositumpina.

Tammikuussa 2001 intel lisäsi valikoimaan selvästi hitaamman 1.3 GhZ:n mmallin. Seuraavan vuoden aikana Intel vähitellen supisti AMD:n johtoasemaa nopeuskilpailussa. Huhtikuussa 2001 markkinoille julkaistiin 1.7 GhZ:n kellotaajuudella toimiva pentium 4 - prosessori, joka tarjosi selvästi parempaa suorituskykyä, kuin vanha Pentium 3 - suoritin.

Elokuussa 2001 Intel siirtyi Rambusin muisteista tavalliseen DDR - SDRAM - muistiin samalla, kuin se julkaisi markkinoille 845 - piirisarjan. Vaikka SDRAM muisti rajoitti kaistannälkäisen pentium 4 - suorittimen nopeutta jonkin verran, myynti kasvoi huomattavasti kaikkien valmistajoen saatua yhteensopivuutta enemmän, ja Intel saattoi vetää Pentium 3 - suorittimensa pois markkinoilta.

Väylän kellotaajuus oli 100 MHz ja sen efektiivinen nopeus neloiskellotuksesta johtuen 400 MHz.

[muokkaa] Northwood

Toisen sukupolven Pentium 4 -suoritin kulki koodinimellä Northwood. Se oli valmistettu 0,13 um:n valmistustekniikalla, ja L2-välimuistin määrä oli nostettu 512 kilotavuun. Northwoodia pidetään yleisesti ottaen parhaana P4-pohjaisena suorittimena, ja Northwood pystyikin pitämään jonkinlaista suorituskykykaulaa AMD Athloniin ennen kuin AMD julkaisi Athlon64:n.

Ensimmäinen julkaistu Northwood-malli toimi 2,2 GHz taajuudella, mutta myöhemmin kellotaajuutta kasvatettiin 3,4 GHz taajuuteen asti.

Nortwoodin kanssa käytettiin tyypillisesti DDR SDRAM -muistia, koska uudemmat DDR-muistia käyttävät i845- ja i865-pohjaiset emolevyt olivat saapuneet markkinoilla, tarjoten samaa luokkaa olevan suorituskyvyn kuin paljon kalliimpaa RDRAM-muistia käyttävä i850.

Northwoodia oli saatavilla sekä (4*)100, (4*)133 että (4*)200 MHz väylätaajuuksilla.

Northwoodista lähtien Pentium 4 :ssa on ollut myös Hyper-Threading-ominaisuus, joka tarkoittaa sitä että suoritin näkyy käyttöjärjestelmälle kahtena suorittimena ja pystyy suorittamaan kahta säiettä yhtä aikaa. Koska suorittimen sisäiset laskentayksiköt on kuitenkin mitoitettu vain yhtä säiettä silmällä pitäen, saavutetaan kahden säikeen yhtäaikaisella ajamisella yhdellä Pentium 4 -suorittimessa keskimäärin vain n. 10 % tehohyöty, vaikka ohjelma pystyisikin ominaisuutta hyödyntämään.

Ensimmäisissä Northwood-suorittimissa HyperThreading oli kytketty pois päältä, todennäköisesti jotta sitä ehdittäisiin testata kunnolla ja varmistua sen toimivuudesta ennen sen julkaisua.

[muokkaa] Prescott

Viimeisen sukupolven Pentium 4, koodinimeltään Prescott erosi merkittävästi edeltäjistään. Siinä liukuhihnan pituus oli entistä pidempi, kokonaisuudessaan luokkaa 40 vaihetta. Lämpöongelmien takia piiri ei silti kellottunut merkittävästi Northwood-ydintä korkeammalle. Piirille oli lisätty myös tuki 64-bittiselle tilalle, ja se pystyy suorittamaan X86-64-käskykannan käskyjä. Ensimmäisissä malleissa tämä x86-64-tuki oli tosin kytketty pois päältä, todennäköisesti markkinapoliittisista syistä.

Vaikka piirissä oli korjattu joitain aikaisempien P4-suorittimien heikkouksia kuten hidas kokonaislukukertolasku ja hidas bittien shiftaus, piirin L1-datavälimuistin viive oli jouduttu hidastamaan kahdesta kellojaksosta neljään, minkä seurauksena kellojaksoa kohden tehtävä työ ei kasvanut edeltäjäänsä nähden, ja lopputuloksena oli piiri, joka tarjosi vain hyvin pienen suorituskykylisän edeltäjäänsä nähden, mutta kulutti selvästi enemmän tehoa ja siten tuotti selvästi enemmän lämpöä.

Socket 478 Prescott valmistettiin 0.09 µm:n valmistustekniikalla, ja sen suurin virallinen kellotaajuus oli 3,2 gigahertsiä. Myöhemmin kuitenkin LGA775-kannan myötä Prescott-ytimelliset suorittimet olivat saatavilla peräti 3,8 GHz:n kellotaajuudella.

Prescottia valmistettiin sekä yhden että kahden megatavun L2-välimuistilla.

Prescottista valmistettiin myös versiota, joissa kaksi suoritinta oli yhdistetty samalle piirille, eli niin sanottuja tuplaydinprosessoreita. Näitä markkinoitiin nimellä Pentium D, sekä Pentium Extreme Edition

[muokkaa] Pentium 4 Extreme Edition

Pentium 4 Extreme Edition on Intel Xeon-suoritin laitettuna Pentium 4:lle sopivaan kantaan. Se siis eroaa tavallisesta Pentium 4:sta siten, että siinä on suurempi L2-välimuisti, ja joissain malleissa on myös nopeampi väyläkellotaajuus. Pentium 4 Extreme Edition-malleja tehtiin sekä Nortwoodia että Presscottia vastaavien Xeonien pohjalta.

Pentium 4 Extreme Edition julkistettiin vastareaktiona AMD:n Athlon64-suorittimelle; Intel halusi markkinoille Athlon64:n nopeimpia malleja vastaan Pentium 4-mallin, jolla saadaan mahdollisimman suuri suorituskyky piittaamatta valmistuskustannuksista. Tästä syystä Editionia kutsuttiin sarkastisesti myös nimellä Emergency Edition.

[muokkaa] Pentium 4:n loppu

Alun perin Intelillä oli suunnitelmissa tehdä myös Prescottista edelleen kehitetty P4-pohjainen prosessori, koodinimeltään Tejas, mutta Prescottin ongelmien myötä Tejasista luovuttiin ja Intel päättikin alkaa kehittää seuraavan sukupolven prosessoriaan palaten takaisin P6-tyyppiseen suunnittelufilosofiaan eli keskipitkään liukuhihnaan ja mahdollisimman usean käskyn rinnakkaiseen suorittamiseen.