Процессор Pentium 4

Однако, эту проблему легко можно решить переходом на 0.13 мкм процесс – тем более, что его повсеместное внедрение не за горами.

Настоящая причина необходимости новой архитектуры кроется глубже. К сожалению, дальнейшее наращивание частоты существующих процессоров приводит все к меньшему росту их производительности.

Проблема в том, что латентности, то есть задержки, возникающие при обращении к тем или иным узлам процессора, по нынешним меркам в P6 уже слишком велики.

Именно это явилось основной причиной, по которой Intel затеял разработку Pentium 4, которая выполнена с чистого листа. Таким образом, анонсированный сегодня Pentium 4 - совершенно новый процессор, ничего общего не имеющий со своими предшественниками. В его основе лежит архитектура, названная Intel NetBurst architecture. Этим названием Intel хотел подчеркнуть, что основная цель нового процессора – ускорить выполнение задач потоковой обработки данных, напрямую связанных с бурно развивающимся Internet. 1. Архитектура Intel NetBurst Первым делом, попробуем разобраться с особенностями новой архитектуры.

Архитектура NetBurst имеет в своей основе несколько инноваций, в комплексе и позволяющих добиться конечной цели – гарантировать запас быстродействия и будущую наращиваемость для процессоров семейства Pentium 4. В число основных технологий входят: Hyper Pipelined Technology. Конвейер Pentium 4 имеет беспрецедентно большую глубину – 20 стадий. Advanced Dynamic Execution. Улучшенное предсказание переходов и исполнение команд с изменением порядка их следования (out of order execution). Rapid Execute Engine. ALU процессора Pentium 4 работает на вдвое большей, чем сам процессор, частоте. 400 MHz System Bus. Новая системная шина.

Рассмотрим все нововведения по порядку. 1.1 Hyper Pipelined Technology Названием Hyper Pipelined Technology конвейер Pentium 4 обязан своей длине – 20 стадий . Для сравнения – длина конвейера Pentium III составляет 10 стадий. Чего же достиг Intel, так удлинив конвейер? Благодаря декомпозиции выполнения каждой команды на более мелкие этапы, каждый из этих этапов теперь может выполняться быстрее, что позволяет беспрепятственно увеличивать частоту процессора. Так, если при используемом сегодня технологическом процессе 0.18 мкм предельная частота для Pentium III составляет 1 ГГц (ну или, по более оптимистичным оценкам, 1.13 ГГц), Pentium 4 сможет достигнуть частоты 2 ГГц.

Однако, у чрезмерно длинного конвейера есть и свои недостатки.

Первый недостаток очевиден – каждая команда теперь, проходя большее число стадий, выполняется дольше.

Поэтому, чтобы младшие модели Pentium 4 превосходили по производительности старшие модели Pentium III, частоты Pentium 4 начинаются с 1.4 ГГц. Если бы Intel выпустил бы Pentium 4 1 ГГц, то этот процессор несомненно бы проиграл в производительности гигагерцовому Pentium III. 1.2 Advanced Dynamic Execution Целью ряда ухищрений в архитектуре Pentium 4, под общим названием Advanced Dynamic Execution, как раз и является минимизация простоя процессора при неправильном предсказании переходов и увеличение вероятности правильных предсказаний. Для этого Intel улучшил блок выборки инструкций для внеочередного выполнения и повысил правильность предсказания переходов.

Правда, для этого алгоритмы предсказания переходов были доработаны минимально, основным же средством для достижения цели было выбрано увеличение размеров буферов, с которыми работают соответствующие блоки процессора. 1.3 Trace Cache Вместо обычного L1 кеша, который в Pentium III был разделен на область инструкций и область данных в Pentium 4 применен новый подход.

Инструкции в L1 кэше не сохраняются, он предназначен теперь только для данных. Для кэширования инструкций теперь используется Trace Cache, однако по сравнению с обычным L1-кешем он имеет много преимуществ, направленных опять же на минимизацию простоев процессора при выполнении неправильных предсказаний переходов. Второе преимущество Trace Cache заключается в том, что микрооперации в нем сохраняются именно в том порядке, в каком они выполняются.

Правда, правильный порядок определяется опять же на основании предсказания переходов, однако вероятность того, что переходы предсказываются неправильно, достаточно мала для того, чтобы отказаться от очевидного выигрыша, получаемого путем отказа от повторных декодирований и предсказаний переходов. Intel не раскрывает размеров своего Trace Cache в килобайтах, однако, известно что в нем может быть сохранено до 12000 микроопераций. 1.4 Rapid Execute Engine Наиболее простая часть современного процессора – это ALU (арифметико-логическое устройство). Благодаря этому факту, Intel счел возможным увеличить его тактовую частоту внутри Pentium 4 вдвое по отношению к самому процессору. Таким образом, например, в 1.4 ГГц Pentium 4 ALU работает на частоте 2.8 ГГц. В ALU исполняются простые целочисленные инструкции, поэтому, производительность нового процессора при операциях с целыми числами должна быть очень высокой.

Однако, на производительности Pentium 4 при операциях с вещественными числами, MMX или SSE двукратное ускорение ALU никак не сказывается. 1.5 SSE 2 Реализовав в своем процессоре Athlon новый конвейерный FPU, AMD очень сильно обогнала интеловский Pentium III в производительности при операциях с вещественными числами.

Однако, Intel в своем Pentium 4 не стал сосредотачиваться на совершенствовании своего FPU, а просто увеличил возможности блока SSE. В результате, в Pentium 4 имеет место расширенный набор команд SSE2, в котором к имеющемуся набору из 70 инструкций было добавлено еще 144. Такое решение – результат NetBurst идеологии, основной целью которой является увеличение скорости работы с потоками данных. SSE2 же оперирует с теми же самыми регистрами и обратно совместим с SSE процессора Pentium III. А столь впечатляющее расширение набора команд вызвано тем, что теперь операции со 128-битными регистрами могут выполняться не только как с четверками вещественных чисел двойной точности, но и как с парами вещественных чисел двойной точности, с шестнадцатью однобайтовыми целыми, с восемью короткими двухбайтовыми целыми, с четырьмя четырехбайтовыми целыми, с двумя восьмибайтовыми целыми или с 16 байтовыми целыми. То есть, теперь SSE2 представляя собой симбиоз MMX и SSE и позволяет работать с любыми типами данных, влезающими в 128-битные регистры. Таким образом, SSE2 гораздо более гибок, позволяя добиваться впечатляющего прироста в производительности.

Однако, использование нового набора команд требует специальной оптимизации программ, поэтому ждать его внедрения сразу после выхода нового процессора не стоит. Со временем же, SSE2 имеет достаточно большие перспективы.

Поэтому, даже AMD собирается реализовать SSE2 в своем новом семействе процессоров Hammer. Старые же программы, не использующие SSE2, а полагающиеся на обычный арифметический сопроцессор, никакого прироста в производительности при использовании Pentium 4 не получат. Более того, несмотря на то, что что Intel говорит о том, что блок FPU в Pentium 4 был слегка усовершенствован, время, необходимое на выполнение обычных операций с вещественными числами возросло по сравнению с Pentium III в среднем на 2 такта. 1.6.1 L1 кэш Что касается кеша первого уровня в Pentium 4, то поскольку теперь команды хранятся в Trace Cache, он предназначен только для хранения данных.

Однако, его размер в Pentium 4, основанном на ядре Willamette составляет всего 8 Кбайт. Это выглядит достаточно небольшой цифрой даже на фоне 16-килобайтной области данных в L1 кэше Pentium III. Однако, Intel был вынужден сократить объем кеша первого уровня в Pentium 4, так как ядро этого процессора и без того получалось слишком большим. Тем не менее, архитектура этого процессора может поддерживать L1-кеш и большего размера, поэтому, скорее всего, при переходе на технологический процесс 0.13 мкм и новое ядро Northwood, этот кэш будет увеличен.

Однако, для увеличения производительности, Intel применил для доступа к L1-кешу новый алгоритм, чем уменьшил в Pentium 4 латентность этого кеша до двух процессорных тактов вместо трех тактов в Pentium III. Таким образом, учитывая большую тактовую частоту Pentium 4, время реакции его L1 кеша составляет всего 1.4нс для 1.4 ГГц модели против 3нс у L1 кеша Pentium III 1 ГГц. 1.6.2 L2 Advanced Transfer Cache Процессор Pentium 4 обладает Advanced Transfer Cache второго уровня объемом 256 Кбайт. Также, как и в Pentium III, L2-кеш имеет широкую 256-битную шину, благодаря которой процессоры от Intel имеют более высокую пропускную способность кеша, чем их конкуренты от AMD, использующие 64-битную шину кеша.

Однако, в отличие от Athlon, в Pentium 4 (впрочем, также как и в Pentium III) L2 кэш не является эксклюзивным, то есть он дублирует данные, находящиеся в L1 кэше. Так как Pentium 4 рассчитан на обработку потоковых данных, скорость работы L2-кеша для него является одним из ключевых моментов.

Поэтому, Intel увеличил пропускную способность кеша второго уровня в Pentium 4 в два раза. Это усовершенствование было сделано благодаря передаче данных из L2-кеша на каждый процессорный такт, в то время, как данные из L2-кеша Pentium III передаются только на каждый второй такт. Таким образом, пропускная способность L2-кеша Pentium 4, работающего, например, с частотой 1.4 ГГц имеет теперь внушительную величину 44.8 Гбайт/с. Для сравнения – пропускная способность Advanced Transfer Cache у Pentium III 1 ГГц составляет 16 Гбайт/с. 2. Процессор Итак, после краткого знакомства с основными деталями NetBurst архитектуры, основного оружия Pentium 4 взглянем на его формальную спецификацию: Из-за большого ядра, тепловыделение новых кристаллов будет достаточно высоким. В частности, Pentium 4 1.4 ГГц, работающий на напряжении 1.7 В и потребляющий примерно 32 A, будет рассеивать порядка 52 Вт тепла (1.5 ГГц Pentium 4 рассеивает 55 Вт тепла). Поэтому, кулеры для Pentium 4 должны иметь достаточно большие размеры и площадь поверхности.

Стоимость процессора при поставках партиями 1000 шт. составляет, соответственно, $819 и $644 для моделей с тактовыми частотами 1.5 ГГц и 1.4 ГГц. Pentium 4 1.3 ГГц, который появится 29 января 2001 года, будет стоить $409. Intel планирует достаточно агрессивно снижать цены на Pentium 4, с тем, чтобы этот процессор мог применяться в настольных компьютерах среднего уровня:

Поэтому, только ограниченное число производителей системных плат высказало желание ввязаться в производство плат под Socket 423. В ближайшее время платы под Pentium 4 будут выпускаться только восемью производителями.

Спецификации некоторых таких плат уже известны:

Тестирование проводилось под управлением операционной системы Microsoft Windows2000 SP1 с установленным DirectX 8. 4.1 Результаты тестов Поскольку процессор Pentium 4 имеет совершенно новую архитектуру, анализ производительности этого процессора будет состоять из двух частей. В первой для измерения быстродействия мы воспользуемся синтетическими тестами, а во второй протестируем процессоры, принимающие участие в тестировании, реальными приложениями. CPUmark 99 Этот тест показывает производительность целочисленной части процессора и скорость работы с данными.

Казалось бы, поскольку ALU Pentium 4 работает на удвоенной частоте процессора, то по результатам этого теста впереди должен быть Pentium 4. Однако этого не происходит.

Разгадка медлительности Pentium 4 в данном тесте кроется в недостаточно большом L1 кэше, в который не помещаются все необходимые для его работы данные. Athlon же, с областью данных в L1-кеше размером 64 Кбайта, а это в 8 раз больше, чем кеш данных Pentium 4, значительно превосходит всех своих соперников. FPU WinMark Этот бенчмарк показывает 'чистую' скорость работы арифметического сопроцессора благодаря тому что все данные, необходимые для его работы умещаются в L1 кэше процессора.

Результаты еще раз подтверждают, что блок FPU у Athlon очень хороший. Кроме того, ясно видно, что из-за возросшей латентности FPU в Pentium 4, его показатели в этом тесте выглядят даже хуже, чем у Pentium III. 3DMark2000 CPUmarks Этот бенчмарк, входящий в состав 3DMark2000 демонстрирует теоретическую скорость работы процессора по обработке типовых игровых 3D-сцен при активном использовании наборов SIMD-команд SSE и 3DNow!. К сожалению, тестов, позволяющих оценить выигрыш, получаемый от использования новых SSE2 инструкций Pentium 4 пока нет, поэтому сегодня мы довольствуемся только использованием базового набора инструкций SSE. Тем не менее, даже в этом случае Pentium 4 оказывается на высоте, обходя ближайшего конкурента, процессор AMD Athlon 1.2 ГГц на 12%. Таким образом, логично ожидать, что в играх, особенно поддерживающих SSE, Pentium 4 будет показывать достойные результаты. Так как процессор Pentium 4 работает на совершенно отличной платформе, использующей двухканальную RDRAM, посмотрим на то, какую скорость операций с памятью может обеспечить эта система в сравнении с соответствующими результатами, полученными на остальной паре платформ: Memory Speed - Read Memory Speed - Write По графикам совершенно очевидно, что действительно скорость работы L1 и L2 кэшей в Pentium 4 по сравнению с Pentium III возросла.

Однако, AMD Athlon обладает гораздо большим по размеру L1 кэшем, что в ряде случаев обуславливает его превосходство.

Естественно, также на графике ясно видно, что пропускная способность двухканальной RDRAM гораздо выше, чем используемой в системах на Athlon и Pentium III PC133 SDRAM. Также, результаты этого теста позволяют оценить, что L2 кеш процессора Athlon действительно работает медленнее чем L2 кеш даже Pentium III, из-за более узкой шины. И достаточно любопытным является тот факт, что влияние L1-кеша совершенно не сказывается в системе с Pentium 4 при записи в память.

Перейдем теперь к тестам в реальных приложениях. Content Creation Winstone 2000 Этот тест основывается на измерении скорости системы в нескольких приложениях для создания контента. Как можно видеть, производительность системы с Pentium 4 тут однозначно выше, чем скорость системы на Pentium III 1 ГГц и приближается к производительности системы с Athlon 1.2 ГГц.

Получается, AMD была права не став выпускать процессоры с более высокой, чем 1.2 ГГц частотой. Athlon 1.2 ГГц может конкурировать с Pentium 4 вполне успешно. Sysmark 2000 Еще один тест, использующий для измерения производительности офисные приложения.

Однако, тут упор делается на приложения более широкого профиля, чем в предыдущем тесте, в результате чего показатели Athlon здесь выше.

Однако, архитектуры Pentium III, Athlon и Pentium 4 отличаются слишком сильно, поэтому, соотношения производительностей этих процессоров может изменяться от приложения к приложению.

Поэтому, посмотрим на скорости испытуемых процессоров в конкретных приложениях. Sysmark 2000 Нетрудно заметить, что тут однозначного лидера выделить тяжело.

Однако, в семи из двенадцати приложений лидирует AMD Athlon 1.2 ГГц, в то время как Pentium 4 показывает большую скорость только в трех задачах: системе распознавания речи Dragon Naturally Speaking Preferred 4.0, графическом редакторе Adobe Photoshop 5.5 и в утилите для кодирования видеопотока Microsoft Windows Media Encoder 4.0. Таким образом, вся полезность Pentium 4 раскрывается действительно только в задачах потоковой обработки данных. И то, часть заслуги за высокую производительность этого процессора лежит на подсистеме памяти с гораздо более высокой пропускной способностью, чем у конкурирующих платформ. 3 D Studio MAX R 3 (чем меньше – тем лучше) Для оценки производительностей систем в этом 3D-пакете, мы засекли время рендеринга сцены Anisotropic Wheel, входящей в дистрибутив.

Соответственно, меньшее время соответствует лучшему результату.

Удивительно, но тут производительность Pentium 4 1.4 ГГц в точности повторяет производительность Pentium III 1 ГГц. Это говорит о том, что FPU в Pentium 4 действительно работает медленнее, чем в Pentium III. Athlon 1.2 ГГц, обладая лучшим блоком FPU легко обошел обоих конкурентов, построив сцену на 40% быстрее. WinZIP (чем меньше – тем лучше) Тестирование в архиваторах позволяет увидеть целочисленную производительность процессоров при оперировании с небольшими объемами данных. В архиваторе WinZip лучшую скорость (на диаграмме меньшее значение соответствует лучшему результату) продемонстрировал Athlon 1.2 ГГц. По всей видимости, сказывается большой кеш первого уровня у этого процессора. WinRar (чем меньше – тем лучше) Как можно увидеть из диаграммы (на ней меньшее значение снова соответствует лучшему результату), Pentium 4 1.4 ГГц с ALU, работающим на частоте 2.8 ГГц здесь равных нет.

Влияние объемного кеша первого уровня Athlon в WinRAR сводится на нет достаточно большим объемом словаря, используемого в этом архиваторе. Quake3 Arena (demo001) - 640x480x16 В Quake3 Pentium 4 1.4 ГГц показывает себя с лучшей стороны, показывая на 30% более высокое быстродействие, чем Athlon 1.2 ГГц, не говоря уже о Pentium III. Это объясняется как тем, что ALU протестированного Pentium 4 работает на частоте 2.8 ГГц, так и тем, что Quake3 использует SSE инструкции, которые, как мы показали выше, исполняются на Pentium 4 очень быстро. Quake3 Arena (demo001) - 1024x768x32 С одной стороны, число fps в высоких разрешениях в Quake3 зависит в основном от пропускной способности шин, связывающих различные компоненты системы, однако с другой – ограничивается скоростью заполнения используемой в системе видеокарты.

Именно поэтому, тут разброс результатов не так велик, как в предыдущем случае.

Однако, благодаря Quad Pumped bus Pentium 4 остается в лидерах.

Однако, Athlon, с 200-мегагерцовой шиной EV6 дышит практически ему в затылок. Unreal Tournament – 640x480x16 Тут лидирующую позицию удерживает Athlon, имеющий самый производительный среди всех участвующих в тесте процессоров блок FPU. Unreal Tournament – 1024x768x32 Однако, при возрастании нагрузки на шины передачи данных в системе, которое влечет за собой увеличение разрешения, вперед выходит Pentium 4. Что ж, с 400-мегагерцовой шиной и памятью с пропускной способностью 3.2 Гбайт/с поспорить тяжело. Expendable - 640x480x16 Expendable - игра, производящая во время своей работы интенсивные операции с небольшими объемами данных.

Поэтому, система на Pentium 4 с RDRAM, имеющей большую латентность оказывается медленнее обоих своих конкурентов.

Причем, отставание Pentium 4 1.4 ГГц от Athlon 1.2 ГГц оказывается немаленьким – более 30%. Expendable - 1024x768x32 Результаты практически полностью повторяют предыдущий случай. Заключение Итак, сделать однозначный вывод относительно процессора Pentium 4 нельзя.

Безусловно, его архитектура имеет массу достоинств, основным из которых следует признать возможность легкого наращивания тактовых частот.

Однако, производительность нового процессора в ряде приложений все же не так высока как хотелось бы: достаточно часто она оказывается меньше производительности старшего процессора семейства Athlon. Виной этому – сверхдлинный 20-стадийный конвейер и недостаточно большой кеш данных первого уровня.

Поэтому, в ближайшее время Pentium 4 обогнать по быстродействию конкурента от AMD, Athlon, который также имеет пути для наращивания скорости посредством перехода на новое ядро Palomino и использования DDR SDRAM, не сможет. В то же время, у систем на Pentium 4 есть и более существенные недостатки, главный из которых – цена.