Седьмое поколение процессоров

P7 (Intel Pentium 4)

🕛 04.10.2009, 14:27

Процессор Pentium 4, выпущенный в ноябре 2000 года, представляет собой совершенно новое поколение процессоров (рис. 3.60). Если вместо имени ему присвоить порядковый номер, это будет процессор 786, так как он является представителем другого поколения, отличающегося от предыдущих процессоров класса 686.

Далее представлены основные технические характеристики процессора Pentium 4.
- Тактовая частота процессора находится в диапазоне 1,3-3,8 ГГц и выше.
- Количество транзисторов - 42 млн., 0,18-микронная технология, площадь кристалла - 2
217 мм (Willamette).
- Количество транзисторов - 55 млн., 0,13-микронная технология, площадь кристалла -
мм2 (Northwood).
- Количество транзисторов - 125 млн., 0,09-микронная технология, площадь кристалла -
мм2 (Northwood).
- Программная совместимость с предыдущими 32-разрядными процессорами Intel.
- Тактовая частота шины процессора 400, 533, 800 или 1066 МГц.
- Арифметико-логические устройства (АЛУ) работают на удвоенной частоте ядра процессора.
- Гиперконвейерная технология (20 или 31 ступень).
- Нестандартное выполнение инструкций.
- Расширенное прогнозирование ветвления.
- Кэш-память первого уровня объемом 20 Кбайт (кэш контроля выполнения команд объемом 12 Кбайт плюс 8 Кбайт кэша данных).
- Ассоциативная восьмиуровневая 128-разрядная кэш-память второго уровня объемом 256 Кбайт, работающая на частоте процессора.
- Кэш-память второго уровня позволяет обрабатывать до 4 Гбайт ОЗУ и поддерживает код коррекции ошибок (ECC).
- 144 новых инструкции SSE2 для обработки звуковых и графических данных.
- Инструкции SSE3. Содержат все инструкции SSE2, а также 13 новых инструкций для обработки графики и звука (первым процессором, поддерживающим данные инструкции, стал Pentium 4 Prescott).
- Расширенный модуль выполнения операций с плавающей запятой.
- Несколько режимов понижения потребления мощности.

Компания Intel отказалась от использования римских цифр для обозначения процессоров, отдав предпочтение стандартной арабской нумерации. Pentium 4 представляет новую архитектуру NetBurst, включающую в себя гиперконвейерную технологию, механизм быстрого выполнения операций, системную шину с рабочей частотой 400/533/800/1066 МГц и кэш-память контроля выполнения команд. Гиперконвейерная технология позволяет удвоить по сравнению с Pentium III (а также Athlon/Athlon 64) интенсивность конвейерной обработки инструкций, что связано с уменьшением величины шага выполняемых операций. Это также дает возможность использовать более высокие тактовые частоты. Механизм быстрого выполнения позволяет двум целочисленным арифметико-логическим устройствам (АЛУ) работать с удвоенной частотой процессора, что делает возможным выполнение инструкций в течение полутакта. Системная шина с рабочей частотой 400/533/800/1066 МГц представляет собой учетверенную шину, взаимодействующую с системным тактовым генератором с частотой 100/133/200/266 МГц, что позволяет передавать данные четыре раза за один такт. Кэш-памятью контроля выполнения команд является высокопроизводительный кэш первого уровня, содержащий примерно 12 Кбайт декодированных микроопераций. Это позволяет удалить дешифратор команд из основного выполняемого конвейера, что повышает производительность процессора.
Из всех перечисленных компонентов, самый большой интерес вызывает быстродействующая шина процессора. В техническом аспекте она представляет собой учетверенную шину подкачки с частотой 100/133/200/266 МГц, передающую данные четыре раза за один такт (4x)
для достижения рабочей частоты 400/533/800/1066 МГц. Ширина шины равна 64 разрядам (т.е. 64 бит, или 8 байт), следовательно, ее пропускная способность составляет 3 200, 4 266, 6 400 или 8 532 Мбайт/с.

Как видно, пропускная способность шины процессора Pentium 4 в точности соответствует быстродействию типов памяти RDRAM и DDR SDRAM. Двухканальная память подразумевает применение однотипных парных модулей. Двойные банки памяти PC1600, PC2100 или PC3200 DDR SDRAM менее дорогие, чем такие их конкуренты, как RDRAM. Именно поэтому практически все новые наборы микросхем, включая 865 (Springdale) и 875 (Canterwood) для Pentium 4, поддерживают только модули памяти стандарта DDR SDRAM.
В 20-уровневой конвейерной внутренней архитектуре отдельные инструкции разбиваются на несколько подуровней, что было характерно, например, для процессора RISC. К сожалению, подобная технология приводит к увеличению числа циклов, требующихся для выполнения инструкций, если они, конечно, не оптимизированы для данного процессора. Эталонные тесты ранних версий, проводимые с имеющимся программным обеспечением, показали, что при выполнении определенных задач процессоры Pentium III или AMD Athlon находятся примерно на одном уровне, а в чем-то даже и превосходят Pentium 4. Но теперь, когда приложения модифицируются непосредственно для работы с конвейерной архитектурой Pentium 4, подобное положение вещей изменилось.
В первых конструкциях Pentium 4 использовалось гнездо Socket 423, содержащее 423 вывода, расположенных по схеме 39x39 SPGA. В более поздних версиях используется гнездо Socket 478, содержащее дополнительные выводы, предназначенные для будущих более быстрых вариантов микросхемы. Процессор Celeron 4 никогда не разрабатывался для установки в гнездо Socket 423, поскольку предназначался для Socket 478. Это дает возможность приобрести систему с гнездом Socket 478, которая пригодится для дальнейшей модернизации с небольшими финансовыми затратами.
Технические характеристики различных версий процессора Pentium 4 приведены в табл. 3.48. Как видите, в таблице перечислено очень много моделей Pentium 4; можно насчитать не менее шести различных поколений Pentium 4, которые отличаются рядом ключевых моментов.
- Процессоры для гнезда Socket 423.
- Процессоры для гнезда Socket 478.
- Процессоры с поддержкой технологии Hyper-Threading для гнезда Socket 478.
- Процессоры Extreme Edition (оснащены кэш-памятью L3) для гнезда Socket 478.
- Процессоры для гнезда Socket T (LGA775).
- Процессоры с поддержкой расширений EM64T для гнезда Socket 775 (64-bit extensions).
Через некоторое время после появления данных процессоров на рынке стало понятно, что “Pentium 4” - не просто название одного семейства процессоров; это привело к недоразумениям при модернизации существующих, а также приобретении новых компьютерных систем. Из-за наличия трех формфакторов (Socket 423, Socket 478 и Socket 775), а также различных комбинаций поддерживаемых процессорами Pentium 4 технологий важно определить, какие характеристики вам необходимы, прежде чем принимать решение о покупке.

Pentium 4 Extreme Edition

В ноябре 2003 года Intel представила версию Extreme Edition процессора Pentium 4. Данный процессор оказался первым процессором для ПК, оснащенным кэш-памятью третьего уровня L3. Процессор Pentium 4.Extreme Edition (или просто Pentium 4EE) - это немного откорректированная версия ядра Prestonia процессора Xeon (он предназначен для серверов и рабочих станций), который оснащался кэш-памятью третьего уровня L3 с ноября 2002 года. Pentium 4EE оснащен кэш-памятью третьего уровня L3 объемом 2 Мбайт, что привело к увеличению количества транзисторов до 178 млн., т.е. значительно больше, чем у Pentium 4. Поскольку при использовании 0,13-микронной технологии размеры ядра были очень велики, производство процессора оказалось весьма дорогостоящим, поэтому и розничная цена была довольно высокой. Процессор Pentium 4.Extreme Edition рассчитан прежде всего на заядлых поклонников компьютерных игр, которые согласны доплатить за повышенное быстродействие. При выполнении стандартных бизнес-приложений дополнительная кэш-память практически бесполезна, однако она оказывается весьма кстати при запуске требовательных к ресурсам игр.
В 2004 году были представлены обновленные версии Pentium 4 Extreme Edition. Эти процессоры базируются на 90-нанометровом (0,09-микронном) ядре Pentium 4 Prescott; при этом они оснащаются кэш-памятью L2 объемом 2 Мбайт вместо 512 Кбайт, свойственных обычным процессорам Pentium 4 на ядре Prescott. Процессоры Pentium 4 Extreme Edition Prescott кэш-памятью L3 не оснащаются.
Процессоры Pentium 4 Extreme Edition выпускаются для гнезд Socket 478 и Socket T; при этом тактовые частоты составляют от 3,2 до 3,4 ГГц (Socket 478) и от 3,4 до 3,73 ГГц (Socket T). Подробные сведения о характеристиках разных версий Pentium 4 Extreme Edition представлены в табл. 3.48.

Требования, предъявляемые к памяти

Системные платы для Pentium 4 могут поддерживать память RDRAM, SDRAM, DDR SDRAM или DDR2 SDRAM, что зависит от набора микросхем; все современные системы на базе Pentium 4 предполагают использование памяти DDR или DDR2. Поскольку действие контракта компаний Intel и RAMBUS было прекращено в 2001 году, DDR SDRAM и DDR2 SDRAM оказались основными типами памяти для компьютерных систем, рассчитанных на массовый рынок, поддерживаемыми компанией Intel.
Замечание
Первые системные платы для процессоров Pentium 4, предполагавшие использование памяти RDRAM, допускали применение тех же модулей RAMBUS RDRAM RIMM, которые задействованы в некоторых системных платах для Pentium III. Однако для использования памяти RDRAM в двухканальном режиме требовалось два идентичных модуля. Системные платы для Pentium, предполагавшие использование памяти RDRAM, допускали установку одной или двух пар модулей RIMM. При этом обе пары модулей должны характеризоваться одинаковым быстродействием, но не объемом.
Электропитание процессора Pentium 4 и вопросы охлаждения
Процессор Pentium 4 требует большого количества электрической энергии, поэтому в большинстве его системных плат используется новая конструкция модуля регулятора напряжения, потребляемое напряжение которого достигает 12 В вместо 3,3 или 5 В, как в предыдущих конструкциях. Таким образом, электрический ток напряжением 3,3 или 5 В, необходимый для работы остальных компонентов системы, становится более доступным. Кроме того, более высокое напряжение источника значительно снижает общее потребление тока. Источники питания компьютера генерируют более чем достаточный запас напряжения, но системная плата ATX и исходная конструкция схемы питания содержит только один контакт, выделенный под напряжение 12 В (на каждый контакт приходится не более 6 А). Поэтому были крайне необходимы дополнительные 12-вольтные линии, предназначенные для подачи питания на системную плату.

Решением проблемы стал третий разъем питания, получивший название ATX12V. Этот разъем является дополнением стандартного 20-контактного силового разъема ATX и вспомогательного 6-контактного разъема питания (3,3/5 В). Но, так как с разъемов дисковода подается ток достаточной мощности, изменять конструкцию источника питания нет необходимости. Для того чтобы можно было его использовать, компания PC Power and Cooling предлагает недорогой адаптер, преобразующий стандартный силовой разъем дисковода типа Molex в разъем питания ATX12V. Как правило, 300-ваттный (как минимум) или более мощный источник питания обеспечивает достаточный уровень подаваемого напряжения как для силовых разъемов дисководов, так и для разъемов ATX12V.
Если уровень мощности менее рекомендуемого 300-ваттного минимума, значит, необходимо заменить источник питания.
Для охлаждения модулей высокой мощности, к которым относится Pentium 4, необходим активный теплоотвод большого размера. Вес теплоотвода иногда достигает 0,5 кг, что может привести к повреждению процессора или системной платы вследствие повышенной вибрации или удара. Для того чтобы выйти из этого положения, в конструкцию шасси ATX в качестве элементов жесткости были введены четыре дополнительных кронштейна, расположенные по бокам гнезда Socket 423 и служащие для поддержки теплоотвода. Такая конструкция позволяет значительно уменьшить нагрузку на системную плату. Поставщики могут воспользоваться и другими средствами усиления жесткости крепления процессора без дополнительных изменений конструкции шасси. Например, в состав поставляемой системной платы Asus P4T входит дополнительная металлическая пластина, позволяющая ее использовать с существующими корпусами ATX.
Чтобы установить процессоры в гнездо Socket 478, не требуется специальных стоек или усиленных элементов жесткости. В данном случае используется уникальная схема, в которой теплоотвод ЦПУ присоединяется непосредственно к системной плате, а не к гнезду процессора или корпусу. Системные платы Socket 478 могут быть установлены в любой корпус ATX - специальные крепления также не понадобятся.
Системы Socket T (LGA775) используют уникальный фиксирующий механизм, удерживающий процессор. Теплоотвод закрепляется над процессором и фиксирующим механизмом, а также прикрепляется непосредственно к системной плате.
Поскольку процессоры семейства Pentium 4 выпускались для трех типов гнезд и при этом характеризовались разными частотами и уровнем тепловыделения, очень важно, чтобы выбранный вами теплоотвод был совместим с процессором, который вы собрались приобретать. Именно поэтому я предпочитаю приобретать коробочные, а не OEM-версии процессоров. Ведь вместе с коробочными версиями своих процессоров Intel поставляет гарантированно совместимые с ними теплоотводы.

Процессоры Xeon

Процессоры Xeon базируются на ядре Pentium 4 и предназначены для установки в гнезда Socket 603 и Socket 604. Процессоры Xeon DP (которые часто называют просто Xeon) предназначены для использования в одно- и двухпроцессорных рабочих станциях.
- Процессоры Xeon DP с частотой шины 400 МГц работают с частотой от 1,4 до 3 ГГц.
- Процессоры Xeon DP с частотой шины 533 МГц работают с частотой от 2 до 3,2 ГГц.
- Процессоры Xeon DP с частотой шины 667 МГц (процессоры Pentium 4 для такой шины никогда не выпускались) работают с частотой от 3,33 до 3,66 ГГц.
- Процессоры Xeon DP с частотой шины 800 МГц работают с частотой от 2,8 до 3,8 ГГц.
Процессоры Xeon MP предназначены для использования в серверах, в которых установлено четыре и больше процессоров. Данные процессоры работают с частотой от 1,4 до 3 ГГц, а также поддерживают шину 400 МГц.