Die ersten Pentium 4 mit dem Codenamen Willamette liefen mit Taktfrequenzen von 1,4 und 1,5 GHz und kamen im November 2000 auf den Markt. Der Pentium 4 mit der neuenNetBrust-Architektur wies gegenüber dem älteren P6-Designs Pentium III in Sachen Integer- und Gleitkomma-Leistung nur unwesentliche Verbesserungen auf. Stattdessen hatte man sich auf zwei Dinge konzentriert: Hohe Taktfrequenzen, die aggressiv beworben wurden, und SSE-Leistung.

Den Pentium 4 gibt es, ähnlich wie schon bei den älteren Pentium-Familien, auch in einer Low-Cost-Variante namens Celeron und in einer Variante namensXeon, die symmetrisches Multiprocressing unterstützt. Zur besseren Abgrenzung von den Celeron-Varianten des Pentium II und Pentium III wird die vom Pentium 4 abgeleitete Variante oft auch als Celeron 4 bezeichnet. Neuere Modelle mit Prescott-Kern wurden unter dem Namen Celeron D verkauft. Als Besonderheit hatte Intel noch eine Pentium 4 Extreme Edition im Programm, der als High-End-CPU gegen AMDs Athlon 64 FX positioniert wurde.

Die auf Basis der NetBurst-Architektur entwickelten Dual-Core-CPUs werden unter dem Namen Pentium D oder Pentium Extreme Edition verkauft.

 

Willamette

Der erste Pentium 4 litt unter Verzögerungen während des Design-Prozesses, die angeblich daher rührten, dass Intel gleichzeitig viele Ingenieure beim Itanium-Projekt sowie den verschiedenen Varianten des P6-Kerns (Pentium II, III und Celeron) benötigte. Viele Experten sahen in den ersten P4-Prozessoren, die mit 1.400 und 1.500 MHz im November 2000 herauskamen eine Notmaßnahme Intels, da das Konkurrenzprodukt AMD Athlon Thunderbird den alternden Pentium III überflügelt hatte, weitere Verbesserungen am P-III aber nur noch schwer möglich waren. Willamettes wurden in einem 180-nm-Prozess hergestellt.

An die Leistung des Athlon Thunderbird und sogar der damals schnellsten Pentium-III-Prozessoren kamen die ersten Pentium 4 nur in den wenigsten Tests heran. Der Prozessor verkaufte sich anfangs zudem auch nur mäßig.

Im Januar 2001 wurde ein nochmals niedriger getaktetes 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 den Vorsprung seitens AMD schnell ausgleichen. Im April brachte Intel einen P4 mit 1,7 GHz, der damit erstmals klar schneller als der Vorgänger 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.

Pentium 4 mit Willamette-Kern

Takt in Megahertz	1300	1400	1500	1600	1700	1800	1900	2000
verfügbar für	So423	So423 So478
Front Side Bus MHz	100
Multiplikator	13	14	15	16	17	18	19	20
Einführung	Januar 2001	November 2000		Juli 2001	April 2001	Juli 2001	August 2001

Northwood

Im Januar 2002 brachte Intel den Pentium 4 mit dem neuen Northwood-Kern auf den Markt. Der Northwood hatte einen von 256 KiB auf 512 KiB 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, der noch in 180-nm-Strukturen gefertigt wurde. Das Kühlproblem des P4 wurde dadurch etwas entschärft, die Leckströme sorgten aber immer noch für einen hohen Leistungsbedarf.

Zwei Modelle mit 2,0 und 2,2 GHz wurden im Januar 2002 vorgestellt, im April folgte das Modell mit 2,4 GHz. Ab Mai konnte man Modelle mit 2,53 GHz bei gleichzeitig auf 133 MHz (FSB 533) beschleunigtem Front Side Bus kaufen, im August folgten die Taktstufen 2,6 und 2,8 GHz, und im November wurden mit dem 3,06-GHz-Modell erstmals Mikroprozessoren mit einer Taktfrequenz von über 3 GHz ausgeliefert. Dieses Spitzenmodell unterstützte Hyper-Threading (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 und kann die parallele Arbeit mit mehreren Programmen (z. B. Virenscanner oder 3D-Spiel) oder auch Multithreading innerhalb eines Prozesses, entsprechende Programmierung vorausgesetzt, verbessern.

Im April 2003 brachte Intel neue Varianten auf den Markt, die einen Takt von 2,4 bis 3,0 GHz aufwiesen und allesamt Hyper-Threading beherrschten. Sie unterschieden sich von den früheren Prozessoren dadurch, dass ihr Front Side Bus mit 200 MHz (quadpumped FSB 800) betrieben wurde. Die im Juni 2003 vorgestellte 3,2-GHz-Variante des Pentium 4 vergrößerte den Leistungsvorsprung in den meisten Benchmarks noch weiter. Die letzte Variante des Northwood ist ein Pentium 4 mit 3,4 GHz, der Anfang 2004 auf den Markt kam.

Prescott

Am 1. Februar 2004 führte Intel einen neuen P4-Kern mit Codenamen Prescott ein. Der Kern wird zum ersten Mal in einem 90-nm-Prozess gefertigt, unterstützt SSE3-Befehle und stellt gleichzeitig eine größere Überarbeitung der Mikroarchitekturdes Pentium 4 dar. Die ersten Prescotts liefen mit gleicher Taktrate wie die Northwood-CPUs und Benchmarks zeigten, dass der Northwood aufgrund der beim Prescott abermals verlängerten Pipeline etwas leistungsfähiger war. Die Architektur des Prescott sollte allerdings weit höhere Taktraten erlauben, als sie mit dem am Ende seiner Lebenszeit angekommenen Northwood-Kern möglich gewesen wären. Aufgrund von Leckströmen und einer immer weiter steigenden Abwärme, konnte dieser Plan jedoch nicht die in Tat umgesetzt werden, die finalen Taktraten lagen nur 400 Mhz über dem des schnellsten Northwood-Modells.

Einige Monate nach Einführung wurde ein Wechsel des Sockel-Typs (von Sockel 478 auf LGA775) vollzogen. Hauptgrund für die Einführung des neuen pinlosen Sockels sind einerseits die günstigeren Hochfrequenzeigenschaften der Metallnoppen-Kontakte und andererseits die höhere mögliche Pin-Dichte. Bei den Sockel-775-Modellen des Prescott fällt im Vergleich zu den Sockel-478-Modellen insgesamt eine etwas höhere Wärmeentwicklung an, der nur mit den überarbeiteten Boxed-Kühlern mit eingelegtem Kupferkern begegnet werden konnte. Diesem etwas 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.

Mit Einführung der LGA775-Prescotts stieg Intel auf ein neues Rating-basiertes Modellnummernschema um, in dem die Prescotts als Serie 5xx laufen (Celerons sind die 3xx-Serie, Pentium M und Extreme Edition gehören zur 7xx-Serie). Der schnellste veröffentlichte Prescott-Prozessor ist der mit 3,8 GHz getaktete 570J. Er war der erste Pentium-4-Prozessor, der Intels Execute-Disable-Bit (XD-Bit) unterstützte, eine von AMD im Rahmen des Patent-Austauschabkommens übernommene Technik, die beim Athlon 64 jedoch NX-Bit genannt wird. Auf diese Funktion weist das an die Typenbezeichnung angehängte J hin. Die Pläne für 4-GHz-Prozessoren wurden von Intel zu Gunsten von Dualcore-Prozessoren und derIntel-Core-Mikroarchitektur aufgegeben. Als Zwischenschritt und Ausweg aus der „Gigahertzfalle“ wurde die 600er-Serie mit dem Prescott-2M-Kern eingeführt. Wichtigstes Merkmal ist der auf 2048 KiB vergrößerter L2-Cache und die Implementierung weiterer Technologien wie Intel 64 und der Virtualisierungstechnik Intel VT, welche aber erst im dritten Quartal 2005 offiziell aktiviert wurde. Er erreicht noch nicht die hohen Taktraten des klassischen Prescott und der Leistungsgewinn im Vergleich zu den Modellen der 500er-Reihe ist eher gering. Doch zeigt dieses Modell Intels neue Strategie, weg von hohen werbewirksamen Taktraten hin zu vergrößerten Caches und technischen Neuerungen.

Cedar Mill

Cedar Mill ist im Grunde ein in 65 nm gefertigter Prescott 2M und besitzt auch dessen Merkmale und Funktionen. Die CPU erschien Anfang 2006 und stellt die letzte CPU der Pentium-4-Reihe dar.

 

Technik

Der Pentium 4 basiert auf Intels NetBurst-Architektur und verrichtet deswegen pro Takt weniger Arbeit als andere CPU-Designs (z. B. Athlon oder Pentium III). Im Gegenzug verfügt der P4 über eine sehr lange Pipeline, um durch das möglichst feine Aufteilen der Befehlsausführung eine hohe Geschwindigkeit primär über den Takt zu erreichen. Bei Programmverzweigungen muss allerdings die gesamte Pipeline verworfen und neu gefüllt werden, ehe der Prozessor wieder mit voller Geschwindigkeit läuft. Der Konkurrent Athlon 64 kann daher die gleiche Leistung wie der Pentium 4 bei weit weniger Takt erbringen. Ein weiterer Faktor, warum der Pentium 4 auf immer höheren Takt angewiesen ist, ist eine alte Schwäche der Intel-Gleitkommaeinheit, 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 Gleitkommaberechnungen konsequent die SSE-Einheit benutzt, allerdings sind viele Programme auf dem Markt nicht dafür optimiert.

Thermische Überwachung

Mit dem Pentium 4 führte Intel einen erweiterten Überhitzungsschutz ein, genannt Thermal Throttling. Der Überhitzungsschutz des Pentium III führte bei einer ungenügenden Kühlung des Prozessors zur sofortigen Notabschaltung. Beim Pentium 4 ist diese Notabschaltung, die bei einer Chiptemperatur von etwa 125 °C greift, weiterhin vorhanden. Die zusätzliche Sicherheitsfunktion kann in zwei Betriebsarten verwendet werden. Im Automatik-Modus legt der Prozessor bei Überschreiten einer vom jeweiligen Modell abhängigen Temperatur (etwa zwischen 63 und 70 °C) Arbeitspausen ein, indem in einem ebenfalls modellabhängigen Puls-Pausenverhältnis der Arbeitstakt abgeschaltet wird. Der eigentliche Prozessortakt wird hierbei nicht reduziert. Der Pentium 4 kann aber auch in einem konfigurierbaren Modus betrieben werden, bei dem entweder vom BIOS oder vom Betriebssystem das Puls-Pausenverhältnis in acht Schritten bis auf minimal 12,5 % geändert werden kann.

Als Energiesparmechanismus ist diese Methode allerdings wenig geeignet, auch wenn mit entsprechender Software die Throttling-Schaltkreise gezielt gesteuert werden können. Der Mechanismus spart zwar einiges an Energie, dafür aber wird die Rechenleistung überproportional gedrosselt. Die Zielsetzung von Thermal Throttling ist es, den Prozessor vor dem Hitzetod zu bewahren, in solchen Fällen spielt die Performance keine Rolle. Weitaus effizientere Stromsparmechanismen wieSpeedStep senken zusätzlich zur Taktfrequenz auch die Spannung, können unbenutzte Teile des Prozessors und auch Peripheriebausteine abschalten, was einen erheblichen Teil der Energieersparnis ausmacht.

Quelle:

http://de.wikipedia.org/wiki/Intel_Pentium_4