15 ноября 2000 года представительство Intel в России провело презентацию новейшего 32-разрядного микропроцессора корпорации Intel - Pentium® 4. А 20 ноября считается датой официального выпуска этого процессора. Процессор Pentium 4 предназначен для создания нового поколения однопроцессорных настольных рабочих станций с повышенной производительностью. Он рассчитан на энтузиастов в области новых информационных технологий и наиболее требовательных пользователей в сфере бизнеса, желающих иметь в своем распоряжении настольный компьютер с максимально высокой скоростью работы и с доступной ценой (примерно до $2000). Новый процессор Pentium 4 основан на самых передовых технологиях, призванных максимально повысить производительность современных и будущих компьютеров и способных в полной мере открыть перед их покупателями все возможности скоростного Интернета.

Наиболее важные сравнительные характеристики процессоров корпорации Intel трех последних поколений представлены в приведенной ниже таблице.

Внешний вид микропроцессора Pentium 4 представлен на рис. 1. Новые процессоры выполнены в 423-контактном корпусе типа Plastic Pin Grid Array (PPGA).

Рис. 1. Внешний вид новейшего микропроцессора Intel Pentium 4 (фото В. Дьяконова)

Хотя Pentium 4 относится к новому поколению микропроцессоров, у него сохранилось название Pentium, характеризующее не столько поколение процессоров, сколько торговую марку Pentium, в продвижение которой Intel вложила огромные средства. Pentium - одна из самых дорогих и известных торговых марок в мире и потому корпорация Intel стремится продлить ее популярность. Логотип нового процессора, иллюстрирующий его соответствие торговой марке Intel Inside, имеет вид, представленный на рис. 2. В названии процессора использована арабская цифра 4.

Рис. 2. Логотип нового микропроцессора

Микропроцессор Pentium 4 создан на основе сравнительно новой и хорошо отработанной технологии с разрешением 0.18 мкм, что уже обеспечивает тактовую частоту работы серийных микропроцессоров Pentium 4 в 1.4 или 1.5 ГГц. В новом процессоре рекордно большое число транзисторов – 42 миллионов. Это позволило реализовать ряд новых идей в микроархитектуре микропроцессоров. Все они (конвейер удвоенной длины, скоростная системная шина, новые команды поддержки Интернета и др.) направлены на увеличение быстродействия нового процессора. Место нового процессора на временной шкале роста скорости работы процессоров наглядно показывает диаграмма, представленная на рис. 3. Нетрудно заметить, что пока достигается экспоненциальный рост этого важного показателя во времени – что и предсказывает закон Мура (одного из основателей фирмы Intel, предсказавшего удвоение числа транзисторов и тактовой частоты процессоров каждые 1-2 года).

Рис. 3. Место микропроцессора Pentium 4 на графике роста производительности микропроцессоров корпорации Intel

Хотя данных о потребляемой процессором мощности на презентации не сообщалось, в частной беседе с представителями фирмы Intel было заявлено, что пока она достигает 50 Вт. Такая большая потребляемая мощность приемлема только для стационарных настольных компьютеров. Однако есть вполне реальная перспектива значительного уменьшения при переходе к технологии с разрешением в 0.13 нм. При этом напряжение питания процессоров может быть понижено до 1.2 В, что на 30% ниже, чем у процессоров предшествующего поколения. Для охлаждения микропроцессора используются обычные миниатюрные вентиляторы.

Разрабатывая процессор Pentium 4, корпорация Intel поставила перед собой цель достичь наивысшей производительности при работе с существующими и будущим приложениями самых разнообразных типов. При этом особое внимание уделялось таким сферам применения, как Интернет, обработка изображений, потоковое видео, распознавание речи, 3D-графика, мультимедиа и многозадачные вычислительные среды. Вне всякого сомнения, применение Pentium 4 будет означать новый виток в создании новейших бытовых информационных, аудио- видео- и игровых комплексов.

Pentium 4 базируется на новой базовой микро-архитектуре нового поколения, способной обеспечить рост производительности и тактовой частоты в долгосрочной перспективе. В прошлом Intel успешно справлялась с подобными задачами, разработав микро-архитектуры P5 и P6 и выпустив ряд основанных на них процессоров. Ниже перечисляются новые возможности и усовершенствования, воплощенные в процессоре Pentium 4.

Новый процессор имеет микро-архитектуру с названием NetBurst. В ней используется гиперконвейерная Hyper Pipelined технология. Число этапов конвейера удвоено и теперь достигает 20. Это существенно повышает производительность процессора Intel Pentium 4 и обеспечивает резервы роста его тактовой частоты..

Другое достижение это ядро быстрого выполнения. Rapid Execution Engine. Его блоки арифметической логики (Arithmetic Logic Units, ALU) работают на удвоенной, по сравнению с ядром процессора, тактовой частоте. Это позволяет процессору выполнять некоторые инструкции за половину такта. Целочисленные операции выполняются с удвоенной скоростью. Результат - более высокая скорость обработки и меньшие задержки при выполнении вычислений.

До 400-МГц повышена частота системной шины. В процессорах используется усовершенствованная системная шина с функциям разделения транзакций и высокой степенью конвейеризации обеспечивает утроенную пропускную способность по сравнению с системной шиной процессора Pentium III. Cкорость передачи данных между процессором Pentium 4 и контроллером памяти достигает 3,2 Гбит/c. По этому параметру шина процессора Pentium 4 превосходит все существующие системные шины для настольных ПК. Скоростная шина Pentium 4 существенно снижает задержки, связанные с перегрузкой шины.

В процессоре реализована кэш-память первого уровня L1 с отслеживанием выполнения - Execution Trace Cache. В этой кэш-памяти первого уровня сохраняются декодированные команды (примерно 12 000 микрокоманд). Благодаря этому в цикле исполнения команд устраняются задержки, связанные с декодированием. Данная технология, которую можно без преувеличения назвать революционной, в значительной мере повышает быстродействие кэш-памяти команд и повышает эффективность использования кэша. Емкость кэша первого уровня в Pentium 4 равна 8 Кбайт, т. е уменьшена вдвое по сравнению с процессором Pentium III. Однако время доступа сокращено более чем вдвое и составляет 1.41 нс.

Кэш-память процессора организована в виде 128-байтных линий с 64-байтным доступом (процессоры предыдущих поколений имели 32-байтные линии). Общая емкость кэш-памяти второго уровня L2 Advanced Transfer Cache объемом 256 КБ, обеспечивающую передачу данных со скоростью 48 Гбит/с, которая увеличивается пропорционально тактовой частоте ядра.

Усовершенствование системы динамического исполнения (Advanced Dynamic Execution) обеспечивает совершенный блок спекулятивных вычислений, который дает быструю загрузку вычислительных блоков. Процессор содержит также улучшенные схемы предсказания ветвлений, позволяющие ему выполнять программы в нужной последовательности и снижающие потери времени, связанные с ошибочным выбором последовательности вычислений. Роль подобных потерь оказывается более значительной при увеличении длины конвейера.

Потоковые SIMD- 2 расширения (SSE2) дополняют ранее реализованные технологии MMX™ и SSE 144-мя новыми инструкциями. В их числе 128-разрядные целочисленные инструкции и 128-разрядные инструкции для вычислений с плавающей точкой. Эти новые SIMD-инструкции позволяют существенно ускорить работу самых различных приложений. Столь большое число новых инструкций свидетельствует о дальнейшем существенном расширении функциональных возможностей микропроцессоров фирмы Intel.

Для поддержки компьютерных платформ с процессорами Pentium 4 корпорация Intel уже создала высокопроизводительный набор микросхем – чипсет 850. Он идеально согласуется с с 400-мегагерцовой системной шиной процессора с пропускной способностью 3.2 Гбит/c.

Корпорация Intel выпускает процессоры Pentium 4 со стоимостью $819 и $644 для частот, соответственно, 1.5 и 1.4 Ггц. Эти цены ориентировочные и наверняка будут быстро снижаться по мере роста объемов производства новых процессоров. Поставляются также процессоры в штучной упаковке, укомплектованные памятью RDRAM с объемом 128 Мбайт, а также системные платы для настольных компьютеров с процессором Pentium 4 типа D850GB с комплектом для интеграции платформ.

Интересно отметить, что Intel планирует продолжать выпуск микропроцессоров Pentium III. Более того, представители корпорации отмечали, что могут быть программные приложения, которые с процессорами Pentium III покажут более высокую скорость работы. Тем не менее, в среднем процессор Pentium 4 обеспечивает более высокую производительность, чем процессоры предшествующего поколения. Прирост быстродействия составляет 59% для кодирования видеопотоков, 38% для визуализации трехмерных поверхностей и фигур, 30% для исполнения программных модулей на языке Java.

В настоящее время проработаны варианты процессоров на основе новейшей технологии с разрешением 0.13 мкм (или 130 нм). Это позволило создать самые быстродействующие из микроэлектронных полевых транзисторов у которых длина затвора достигает поразительно малых значений – около 70 нм при толщине двуокиси кремния под затвором в 1.5 нм. Благодаря этому тактовая частота Pentium 4 и может быть существенно увеличена уже в ближайшее время до нескольких ГГц. При этом процессоры с тактовой частотой 2 ГГц будут выпущены уже в 3-м квартале 2001 года. Процессоры на базе этой технологии будут выпускаться и для малогабаритных переносных компьютеров (ноутбуков). Предполагается, что к 2002 году рынок таких компьютеров составит не менее 25% от рынка персональных компьютеров всех типов.

На представлении процессора Pentium 4 была показана реальная работа с ним персональных компьютеров. Наибольший интерес вызвал показ видеофильмов (в том числе с видеодисков DVD) и программ, реализующих виртуальную реальность средствами математического моделирования. Так, была показана синтезированная компьютером девушка Ева, поведение и привлекательность которой зависело от отношения к ней пользователя. В другом видеофильме моделировалось поведение множества объектов в виртуальной комнате. Объекты вели себя в соответствии с законами оптики, механики и земного тяготения. Например, при снятии имитации земного тяготения все объекты начинали плавать в воздухе, как это имеет место в кабине космического корабля. Подобные программы требуют от процессора высочайшей скорости работы и хорошо иллюстрируют возможности Pentium 4.

В заключении стоит отметить некоторые обстоятельства применения процессоров Pentium 4, которые полезно знать тем, кто любит проводить модернизацию (upgrade) персональных компьютеров. Представители концерна Intel настойчиво заявляли, что разгонка Pentium 4 крайне нежелательна и не гарантирует надежной работы микропроцессора. Замена процессоров Pentium II и Pentium III на новый процессор в принципе невозможна из-за различий в типе корпуса, параметрах питающего напряжения и частотах работы шины.

Однако программная совместимость для старых программ обеспечена новым процессором. Многие фирмы уже приступили к выпуску компьютеров на новых процессорах Pentium 4. А крупные разработчики программного обеспечения (например, компания Microsoft) ведут разработку программ, в которых в полной мере используются как особенности новой микро-архитектуры процессора Pentium 4, так и новые его команды. Такой комплексный подход гарантирует, что ко времени массового применения процессора Pentium 4 (а реально оно начнется с 2001 года) все возможности нового процессора будут использованы на практике.