Pentium 4

Der Pentium 4 ist ein x86-kompatibler Mikroprozessor von Intel und das erste vollständig neue CPU-Design dieses Herstellers seit dem Pentium Pro von 1995.

Die ersten Pentium 4 mit dem Codenamen Willamette liefen mit Taktraten von 1,4 und 1,5 GHz und kamen im November 2000 auf den Markt. Zur Überraschung vieler Beobachter war der Pentium 4 gegenüber dem alten P6-Design bei der Integer- oder Fließkommaberechnung nicht wesentlich verbessert worden. Stattdessen hatte man sich auf zwei Dinge konzentriert: Sehr hohe Taktraten und ISSE-Performance. Wie bei Intels Flaggschiffen üblich, gibt es den Pentium 4 auch in einer Low-Cost Celeron-Version (oft als Celeron 4 bezeichnet) und einer High-End Xeon-Version, hauptsächlich für SMP-Systeme.

Modelle

Willamette

Willamette, der erste Pentium 4, litt unter Verzögerungen während des Design-Prozesses, die angeblich daher rührten, dass Intel zeitgleich viele Ingenieure beim Itanium-Projekt sowie den verschiedenen Varianten des P6-Kerns (Pentium II, III und Celeron) benötigte. Die meisten Experten sahen in den ersten P4-Prozessoren mit 1.400 und 1.500 MHz eine Notmaßnahme Intels, da das Konkurrenzprodukt AMD Athlon Thunderbird den alternden Pentium III zunehmend ausperformte, weitere Verbesserungen am P-III aber nur noch schwer möglich waren. Willamettes wurden in einem 180-nm-Prozess hergestellt.

In Tests enttäuschte der Pentium IV die Analysten: An die Leistung des Athlon TB und sogar der damals schnellsten P-IIIs kam er nicht in allen Tests heran. Peinlich für Intel war, dass er noch nicht einmal den Billig-Prozessor AMD Duron klar hinter sich ließ. Er verkaufte sich daher zunächst auch nur mäßig.

Im Januar 2001 wurde ein nochmals langsameres Modell mit 1,3 GHz nachgeschoben, was vermuten ließ, dass Intel zu diesem Zeitpunkt große Schwierigkeiten mit der Taktfestigkeit der P4-Kerne hatte. Danach konnte Intel jedoch endlich zum Generalangriff auf AMD blasen. Der April brachte einen P4 mit 1,7 GHz, der damit erstmals klar schneller als der alte Pentium III war. Im Juli folgten Modelle mit 1,6 und 1,8 GHz, und ab August 2001 lieferte Intel Prozessoren mit 1,9 und 2,0 GHz.

Die 2-GHz-Variante war der erste P4, die mit dem Konkurrenten Athlon Thunderbird gleichziehen konnte, der bis dahin unfraglich die schnellste x86-CPU am Markt war. Für Intel war dieses Ziel vor allem psychologisch wichtig. Zum ersten Mal seit Erscheinen des Athlon Classic konnte man sich wieder berechtigte Hoffnungen auf die Performance-Krone machen, die man vorher seit 16 Jahren unangefochten innehatte.

Northwood

Im Oktober 2001 brachte der Athlon XP AMD wieder klar in Führung, doch im Januar 2002 konnte Intel neue Pentium 4's mit dem neuen Northwood-Kern auf den Markt bringen. Northwood hatte einen von 256 kB auf 512 kB verdoppelten L2-Cache und wurde im neuen 130-nm-Prozess hergestellt. Indem man den Chip aus kleineren Transistoren baute, konnte er schneller laufen und dabei trotzdem weniger Energie als sein Vorgänger verbrauchen.

Mit dem Northwood-Kern wurde der P4 erwachsen. Der Kampf um die Performance-Krone blieb spannend (da AMD schnellere Versionen des Athlon XP vorstellte), aber die meisten Beobachter stimmten inzwischen darin überein, dass der P4 ständig leicht in Führung lag. Dies war besonders im Spätsommer 2002 der Fall, als AMD eigener Wechsel zum 130-nm-Prozess durch technische Schwierigkeiten verzögert wurde, und die P4 in Taktraten von 2,4 bis 2,8 GHz klar die schnellsten Chips am Markt waren.

Ein 2,4-GHz-P4 wurde im April 2002 vorgestellt, ab Mai konnte man 2,53 GHz bei gleichzeitig auf 533 MHz beschleunigtem Frontside-Bus kaufen, im August folgten die Taktstufen 2,6 und 2,8 GHz, und im November durchbrach Intel mit einem 3,06 GHz-Prozessor die 3-GHz-Grenze.

Die neuesten Pentium 4's unterstützen Hyperthreading (zuerst auf dem Xeon eingeführt), wobei die CPU zwei Threads gleichzeitig ausführen kann, da einige Teile des Prozessors doppelt vorhanden sind. Für das Betriebssystem sieht ein solcher Prozessor wie ein Multiprozessor-System aus.

Im April 2003 brachte Intel neue Varianten auf den Markt, die taktmäßig von 2,4 bis 3,0 GHz reichten. Sie unterschieden sich von den früheren Prozessoren dadurch, dass sie allesamt HyperThreading beherrschten und ihren Systembus mit 800 MHz betrieben. Dies geschah, um gegenüber AMDs Opteron-Reihe, die damals in den Startlöchern stand, besser auszusehen. Der endgültige Opteron hatte dann jedoch keinen AGP-Controller und war ein reiner Server-Prozessor, der keine Konkurrenz im Marktsegment des Pentium 4 darstellte. AMD beschleunigte seinerseits den Bus des Athlon XP von 333 auf 400 MHz, was jedoch nicht genug war, um den neuen 3,0-GHz-P4 hinter sich zu lassen. Die im Juni 2003 vorgestellte 3,2-GHz-Variante des Pentium 4 vergrößerte den Leistungsvorsprung in den meisten Benchmarks noch weiter. Die vorerst letzte Variante ist ein Pentium 4 mit 3,4 GHz, der Anfang 2004 auf den Markt kam.

Extreme Edition

Im September 2003 wurde etwa eine Woche vor der Markteinführung des Athlon 64 auf dem Intel Developer Forum die Pentium 4 Extreme Edition angekündigt. Sie war zum größten Teil identisch zu den damaligen Pentium 4-Modellen (sie brauchte zumindest keine speziellen Mainboards), basierte jedoch auf dem Xeon und übernahm dementsprechend auch dessen L3-Cache von 2 MB Größe und den sehr hohen Verkaufspreis.

Obwohl Intel beteuerte, dass die Extreme Edition auf leistungshungrige Spieler abzielte, sahen die meisten Beobachter darin den Versuch, den Theaterdonner um den Athlon 64 etwas zu dämpfen. Wenn dies tatsächlich der Fall war, dann war diese Taktik ein Fehlschlag, da der neue Chip nicht nur vom Athlon 64 und Athlon 64 FX in vielen Benchmarks geschlagen wurde, sondern noch dazu kaum den 3,2-GHz-Pentium 4 überflügeln konnte. Leistungsmäßig verhielt er sich etwa wie ein konventioneller Pentium 4 mit 3,4 GHz Taktrate. Dies lag zum größten Teil an der zusätzlichen Latenzzeit durch die dritte Cache-Stufe. Einige Spiele, vor allem solche mit der Quake III- oder Unreal-Engine, sowie Anwendungen zum Multimedia-Encoding profitierten jedoch überdurchschnittlich vom zusätzlichen Cache.

Prescott

Am 1. Februar 2004 führte Intel einen neuen P4-Kern mit Codenamen Prescott ein. Der Kern wird zum ersten Mal in einem 90-Nanometer-Prozess gefertigt und stellt gleichzeitig eine größere Überarbeitung der Mikroarchitektur des Pentium 4 dar, die so weitreichend ist, dass einige Analysten überrascht waren, dass Intel diesen Prozessor nicht Pentium 5 nannte [1]. Die ersten Prescotts takteten mit der gleichen Rate wie ein Northwood, und Benchmarks zeigten, dass der Northwood etwas leistungsfähiger als der Prescott war. Die Architektur des Prescott erlaubt allerdings weit höhere Taktraten, als sie mit dem am Ende seiner Lebenszeit angekommenen Northwood-Kern möglich wären. Gegenwärtig sind Prescott-basierte Prozessoren mit 3,4 GHz verfügbar.

Nach der Veröffentlichung stellte man fest, dass der Prescott etwa 60% mehr Abwärme pro Takt als der Northwood-Kern erzeugt, und entsprechend negativ waren auch die Kommentare in der Fachpresse. Ein Wechsel des Sockel-Typs (von Sockel 478 auf LGA 775) sollte die Hitzeentwicklung auf ein akzeptables Niveau begrenzen, hatte allerdings eher den gegenteiligen Effekt. Auf dem neuen Sockel zog der Prozessor 10% mehr Strom. Dem besseren Kühlkonzept ist es zu verdanken, dass sich die Temperaturen trotzdem noch senken ließen. Spätere Überarbeitungen des Prozessors durch Intels Ingenieure haben inzwischen dafür gesorgt, dass Energieaufnahme und Wärmeabstrahlung wieder näher an die Werte des Northwood-Kerns herankommen.

Das Hitzeproblem der neuesten P4-Generation hat inzwischen dafür gesorgt, dass Intel die Arbeit an den Prescott-Nachfolgern Tejas und Jayhawk eingestellt hat. Für die Nachfolge des Pentium 4 setzt man inzwischen anscheinend auf Varianten des Mobilprozessors Pentium M, dessen Geschichte sich bis zum P6-Kern des Pentium Pro zurückverfolgen lässt. Wenn es tatsächlich so kommt, hat sich die innovative NetBurst-Architektur des Pentium 4 als Sackgasse erwiesen.

Technik

Der Pentium 4 verrichtet pro Takt weit weniger Arbeit als andere CPUs (z.B. der Athlon oder der alte Pentium III). Der Konkurrent Athlon XP kann daher die gleiche Leistung wie der P4 bei weit weniger Takt erbringen. Ein weiterer Faktor, warum der P4 auf immer höheren Takt angewiesen ist, ist eine alte Schwäche der Intel-Fließkommaeinheit (FPU), die dazu führt, dass spezielle Operationen wie Nulldivisionen oder Berechnungen, bei denen das Ergebnis keine sinnvolle Zahl (englisch Not a Number, NaN) oder Unendlich ist, auf der FPU des Pentium 4 bis zu 950 (!) Mal länger brauchen als auf dem AMD Athlon. Das Problem lässt sich zwar umgehen, indem man für Fließkommaberechnungen konsequent die SSE-Einheit benutzt, allerdings sind die meisten Programme auf dem Markt (noch) nicht dafür optimiert.

Mit dem Pentium 4 führte Intel auch einen Überhitzungsschutz ein, der bei ungenügender Belüftung des Prozessors den Takt in 8 Stufen herunterregeln kann und so ein Durchschmelzen des Kerns verhindert. Auf die entsprechenden Schaltkreise lässt sich auch per Software einwirken (zumindest unter Linux, Windows unterstützt diese Art des Energiesparens nicht). Besonders für Besitzer von Notebooks, die einen P4-Celeron nutzen, kann dies ein mehr als adäquater Ersatz für die fehlende SpeedStep-Funktion des Prozessors sein, da SpeedStep nur 2 Taktstufen kennt, die thermale Überwachung der CPU sich aber 8-stufig regeln lässt. Ein Pentium 4 mit 1.500 MHz Nenntakt lässt sich so bei Leerlauf auf bis zu 187 MHz heruntertakten und schont auf diese Weise den Akku oder - da die Frequenzmodulation über die Thermalüberwachung auch bei Desktop-P4's funktioniert - die Stromrechnung.

Weblinks

• http://www.intel.de

Siehe auch: Mikroprozessoren von Intel, Liste von Nicht-Intel-Mikroprozessoren

Dieser Artikel basiert auf einer Übersetzung des Artikels aus der englischen Wikipedia, Version vom 1. Juli 2004