И. Шагурин

Pentium 4 — новая ступень развития микропроцессорной техники

15 ноября 2000 года в Москве состоялась презентация Pentium 4 — новой модели 32-разрядных микропроцессоров компании Intel. Тем самым был положен конец сомнениям по поводу дальнейшего развития этого семейства. В связи с появлением в 2000 году нового семейства высокопроизводительных 64-разрядных процессоров Itanium, многие специалисты считали, что долгий век семейства процессоров 80x86-Pentium, начатого в 1978 году моделью 8086 и представляемого в настоящее время последними моделями Pentium III, Pentium III Xeon, Celeron, близится к окончанию. Однако презентация показала, что “Pentium жил, Pentium жив, Pentium будет жить”!

Представленная разработка, являющаяся результатом трёхлетнего труда ведущих специалистов компании Intel, во многих отношениях является новым этапом в развитии микропроцессорной техники. На презентации были отмечены основные особенности микропроцессоров Pentium 4:

• новая микроархитектура процессора NetBurst (пакетно-сетевая), ориентированная на эффективную работу с Интернет-приложениями;
• новая системная шина FSB, обеспечивающая обмен со скоростью 3,2 Гбайт/c при частоте передачи данных 400 МГц;
• значительное расширение системы команд путём введения обработки 128-разрядных данных по SIMD-технологии, когда одна команда одновременно выполняется над несколькими операндами.

Новая микроархитектура

В процессоре Pentium 4 сохраняется архитектура IA-32 (Intel Architеcture – 32), характерная для всех 32-разрядных микропроцессоров Intel, начиная с i386. Поэтому пользователь будет иметь дело с хорошо знакомым набором регистров и способов адресации, работать с базовой системой команд и известными вариантами реализации прерываний и исключений. Однако внутренняя структура (микроархитектура) процессора Pentuim 4 значительно отличается от предшествующей микроархитектуры семейства P6, к которому относятся Pentium II, Pentium III и Celeron [1]. Кратко укажем эти отличия.

В Pentuim 4 используется гиперконвейерная технология выполнения команд, при которой число ступеней конвейера достигает 20 (в Pentium — 5 ступеней, в Pentium III — 11 ступеней). Таким образом одновременно в процессе выполнения может находиться до 20 простых команд, находящихся на разных стадиях (ступенях) реализации. Так как эффективность конвейера резко снижается из-за необходимости его перезагрузки при выполнении условных ветвлений, то в Pentuim 4 используется усовершенствованный блок предсказания ветвления, обеспечивающий 90-% вероятность правильного предсказания. Таким образом резко уменьшается число перезагрузок конвейера при неправильном предсказании направления ветвления.

Специальный блок ускоренного выполнения арифметических и логических операций работает с удвоенной тактовой частотой процессора, что позволяет за один такт получить результаты для двух команд.

Кэш-память 2-го уровня ёмкостью 256 Кбайт размещается непосредственно на кристалле процессора, что позволяет сократить время выборки по сравнению с Pentuim III, где эта кэш-память располагается на отдельном кристалле в общем корпусе (картридже) с процессором. Кэш-память данных 1-го уровня имеет ёмкость 8 Кбайт. Вместо кэш-памяти команд 1-го уровня в Pentuim 4 используется кэш-память для декодированных команд (микрокоманд), в которой содержатся микрокоманды для 100 поступивших команд, готовых к выполнению или находящихся на разных ступенях выполнения. Команды выполняются по мере готовности необходимых операндов, при этом исходный порядок их следования может нарушаться. В результате процессор имеет возможность выполнять последующие команды раньше предыдущих, если для них ещё не получены требуемые операнды. На выходе процессора полученные результаты накапливаются, сортируются и выдаются в соответствии с порядком поступления команд, то есть восстанавливается необходимая последовательность их вывода.

Новая системная шина

Для ускорения обмена с памятью используется новая реализация системной шины, обеспечивающая обмен с частотой 400 МГц. Такая скорость обеспечивается путём применения нового типа сверхбыстродействующей двухканальной памяти типа RDRAM [2] и специальной микросхемы MCH (Memory Controller Hub), реализующей 4 канала передачи данных. При тактовой частоте каждого канала 100 МГц обеспечивается общая частота обмена, эквивалентная 400 МГц, что в 3 раза выше, чем для наиболее быстродействующих современных системных плат, работающих на частоте 133 МГц.

Расширение системы команд

Набор реализуемых команд расширен путём введения 144 новых команд, обеспечивающих одновременное выполнение одной операции над несколькими операндами. Такая SIMD-технология (Single Instruction – Multiple Data) была реализована в предыдущих моделях микропроцессоров Pentium, которые содержали блоки для выполнения MMX (Multi-Media Extension) — операций над целочисленными данными и SSE (Streaming SIMD Extesion) — операций над данными в формате с плавающей точкой. В Pentium 4 набор таких операций, названных SSE-2, значительно увеличен. При целочисленных (MMX) операциях одновременно обрабатываются 128 бит (было 64 бит), а при операциях с плавающей точкой (SSE) возможна обработка чисел с двойной точностью (было только с одинарной точностью). В результате производительность процессора при выполнении таких операций повышается вдвое.

Следует отметить, что операции SSE-2 позволяют существенно повысить эффективность применения микропроцессора при реализации трёхмерной графики и современных Интернет-приложений, обеспечении сжатия и кодирования аудио- и видеоданных и ряда других применений.

Технология

Естественно, реализация такого значительного изменения микроархитектуры и расширения возможностей процессора потребовала введения большого количества дополнительных аппаратных средств. Поэтому кристалл микропроцессора содержит 42 млн. транзисторов (процессор Pentium III содержал 8,5 млн. транзисторов без учёта кэш-памяти 2-го уровня, размещённой на отдельном кристалле). Для его реализации в настоящее время используется КМОП-технология с разрешающей способностью 0,18 мкм. Выпускаются две модели микропроцессоров Pentium 4, имеющие максимальные тактовые частоты 1,4 и 1,5 ГГц. Напомним, что наиболее быстродействующие модели Pentium III имели тактовую частоту 1 ГГц.

Микропроцессоры Pentium 4 размещаются в 423-выводных корпусах типа PPGA (Plastic Pin Grid Array). Как и процессоры семейства P6, они имеют 64-разрядную шину данных и 36-разрядную шину адреса, что обеспечивает адресацию памяти ёмкостью до 64 Гбайт. Стоимость процессоров Pentium 4 с тактовой частотой 1,5 ГГц составляет 819 долл., с частотой 1,4 ГГц — 644 долл. (при поставке партией по 1000 штук).

Производственные планы компании Intel предусматривают в 2001 году переход к технологии изготовления с разрешающей способностью 0,13 мкм с использованием 6-слойной системы медных соединений. При этом будет обеспечено повышение тактовой частоты микропроцессоров Pentium 4 до 2 ГГц и выше.

Реализация систем на базе Pentium 4

Как известно, в микропроцессорной технике “один в поле не воин”. Поэтому практическая реализация выдающихся характеристик процессора Pentium 4 обеспечивается только при использовании набора специализированных микросхем (chipset), необходимых для построения на его основе цифровых систем различного назначения. Для реализации систем на базе Pentium 4 компания Intel выпускает набор микросхем 850, в который входят:

• контроллер-концентратор памяти MCH (Memory Controller Hub) типа Intel 82850;
• контроллер-концентратор для устройств ввода/вывода ICH2 (I/O Controller Hub) типа Intel 82801BA;
• контроллер микрокода FWH (FirmWare Hub) типа Intel 82802AB.

Контроллер MCH обеспечивает обмен с помощью сдвоенных каналов с оперативной памятью типа Direct RAMBUS ёмкостью от 128 Мбайт (минимально допустимый объём) до 2 Гбайт. Память реализуется на основе микросхем быстродействующей двухканальной RDRAM-памяти типа PC800 или PC600. К контроллеру MCH подключается также универсальный разъём AGP 4X, используемый для связи с графическим адаптером.

Контроллер ICH2 служит для подключения различных внешних устройств с использованием интерфейса ULTRA ATA/66/100, который реализует ускоренный обмен с жёстким диском. Контроллер также обеспечивает прямой доступ внешних устройств к памяти с помощью интерфейса ULTRA DMA/33.

Все эти микросхемы монтируются вместе с микропроцессором и другими необходимыми устройствами на системной (“материнской”) плате типа Intel D850GB. На ней имеются 4 разъёма для включения RIMM-модулей памяти RDRAM. На этой плате размещаются также флэш-память ёмкостью 4 Мбит, хранящая систему BIOS, 5 слотов шины PCI и 2 контроллера последовательной шины USB, обслуживающих 4 USB-порта: разъёмы двух портов выведены на заднюю панель компьютера, а двух других портов — на переднюю панель.

Компания Intel поставляет производителям систем полные комплекты необходимых микросхем и системные платы. Благодаря этому, уже целый ряд ведущих производителей персональных компьютеров (Compaq, Dell, IBM, Hewlett-Packard, Acer, Siemens, Fujisu, Toshiba, NEC и других) смогли собрать, испытать и продемонстрировать новые модели компьютеров на основе Pentium 4. Приятно отметить, что в числе этих производителей оказались и российские компании Формоза, Техмаркет Компьютерс, R&K, которые представили на презентации образцы своих компьютеров, реализованных на Pentium 4. Участники презентации могли по достоинству оценить высокие графические возможности этих компьютеров, так как демонстрация их преимуществ проводилась с помощью различных видеоигр.

Kак было сказано на презентации, средняя стоимость систем на базе Pentium 4 в настоящее время составляет около 2500 долл., однако уже в 1-ом полугодии 2001 года предполагается её снижение до уровня 1600 долл.

Повышение производительности

Основным преимуществом нового микропроцессора является существенное повышение производительности при реализации различных приложений. На презентации были приведены результаты многочисленных тестовых испытаний, проведённых для оценки достигаемого уровня производительности. В приведенной таблице даны результаты сравнения производительности компьютеров на основе Pentium 4 (тактовая частота 1,5 ГГц, частота обмена по системной шине 400 МГц) и на основе Pentium III (тактовая частота 1,0 ГГц, частота обмена по системной шине 133 МГц). В табл. 1 указаны программы, с помощью которых проводилась сравнительная оценка производительности для различных приложений.

Таблица 1. Рост производительности процессоров на основе Pentium 4

Области применения

Основной областью применения представленных моделей Pentium 4 являются высокопроизводительные настольные персональные компьютеры (desktop PC). Следует отметить, что в этих моделях не предусмотрена поддержка реализации мультипроцессорных систем, которая обеспечивается процессорами Pentium III Xeon. Однако в 2001 году предполагается выпуск новых моделей Pentium 4, ориентированных на работу в мультипроцессорных системах (процессор Foster). Эти модели будут ориентированы на применение в серверах и рабочих станциях. На ближайшее время компания Intel предлагает потребителям модели процессоров, приведенные в табл. 2.

Таблица 2. Области применения процессоров Intel

Как видно из этой таблицы, развитие семейства Pentium продолжается. Наряду с расширением выпуска процессоров Pentium 4 будет продолжаться производство процессоров Pentium III. Планируется, что в 2002 году объём выпуска Pentium 4 превысит объём выпуска Pentium III, и этот процессор станет основной продукцией компании Intel.

Литература

1. Шагурин И.И., Бердышев Е.М. Транзисторы семейства Intel P6: Pentium II, Pentium III, Celeron и другие. Архитектура, программирование, интерфейс. — М.: “Горячая линия Телеком”. — 2000. — 248 с.
2. Джим Гилл. Память. Доминанта технологии // Chip News. — 2000. — № 8. — С. 52–55.

Тел.: 323-9357