Intel Pentium 4 1,4 ГГц

Столкнувшись с множеством проблем при попытке увеличить частоту процессора Pentium III выше 1ГГц, Intel поняла, что старая архитектура процессоров, не менявшаяся с времен PentiumPro требует радикальных изменений. И хотя переход производства на 0,13 мкм поможет Pentium III еще около года вполне достойно выполнять свою работу (ожидается, что частота Pentium III поднимется до 1,5 ГГц) потенциал этой архитектуры уже практически исчерпан и компания для своих новых 32-х разрядных процессоров разработала новую архитектуру, которую назвала Intel NetBurst Micro-Architecture.

Pentium 4

Для того, чтобы процессоры могли работать на частотах порядка нескольких гигагерц Intel увеличил длину конвейера Pentium 4 до 20 стадий (Hyper Pipelined Technology) за счет чего удалось даже при текущих технологических нормах (0,18мкм) добиться работы процессора на частоте в 2ГГц. Однако из-за такого увеличения длины конвейера время выполнения одной команды в процессорных тактах также сильно увеличивается. Поэтому компания сильно поработала над алгоритмами предсказания переходов (Advanced Dynamic Execution). Количество предварительно загружаемых инструкций увеличилось до 126 по сравнению с 48 у Pentium III. Буфер, хранящий адреса условных переходов, также увеличился с 512 байт до 4 КБ. Все это позволило увеличить вероятность правильного предсказания переходов на 33%.

Для ускорения работы целочисленных операций в Pentium 4 применена технология удвоения внутренней тактовой частоты (Rapid Execution Engine). Два блока АЛУ (арифметико-логическое устройство), выполняющие операции над целочисленными данными работают на частоте вдвое большей, чем частота самого процессора.

Кэш 1-го уровня в процессоре также претерпел значительные изменения. В отличие от Pentium III, кэш которого мог хранить команды и данные, Pentium 4 имеет всего 8 КБ кэш данных. Команды, поступающие на исполнение процессору, сохраняются в так называемом Trace Cache. Там они хранятся уже в декодированном виде, т.е. в виде последовательности микроопераций, поступающих для выполнения в исполнительные устройства процессора. Емкость этого кэша составляет 12000 микроопераций.

Кэш 2-го уровня в Pentium 4, сделанном на ядре Willamette, остался объемом 256 КБ. Ширина шины кэша L2 составляет 256 бит, но латентность кэша уменьшилась в два раза, что позволило добиться пропускной способности кэша в 48 ГБ при частоте 1,5 ГГц.

Самой интересной особенностью новых процессоров Pentium 4 является расширение набора команд процессора инструкциями Streaming SIMD Extensions 2 (SSE2). В отличие от AMD, которая сильно переработала блок FPU, Intel решила оставить его практически без изменений, но зато дополнила его множеством команд для работы с потоками данных. К 70 инструкциям SSE, работающим с потоковыми данными одинарной точности добавились 144 инструкции для работы с числами двойной точности, а также с целыми числами длиной от одного до восьми байт. Оптимизация программ под SSE2 должна увеличить их производительность от 2 до 5 раз.

Текущая версия процессора Pentium 4, основанного на ядре Willamette, производится по технологии 0,18 мкм, работает при напряжении питания 1,7 В и имеет частоты от 1,3 до 1,5 ГГц. Для этих процессоров требуются новые материнские платы на чипсете i850. Процессоры вставляются в новое гнездо Socket 423.

Чипсет i850

Для системных плат, предназначенных для работы с Pentium 4, Intel разработала новый чипсет i850. Он состоит, как и все новые чипсеты серии i8xx из 3 микросхем-хабов: MCH (Memory Controller Hub), ICH (Input/Output Controller Hub) и FWH (Firmware Hub).

Главным компонентом чипсета, отличающем его от других чипсетов этой серии, является MCH 82850. Он обеспечивает взаимодействие процессора, памяти, графического контроллера, а также осуществляет связь посредством высокоскоростной шины с пропускной способностью 266 МБ/сек с I/O Controller Hub. MCH 82850 поддерживает работу только одного процессора Pentium 4 (двухпроцессорных плат на i850 сделать невозможно). Для полноценной загрузки процессора работой требуется очень высокая пропускная способность шины, связывающей чипсет, процессор и память. Она работает на частоте 400 МГц (тактовая частота, составляющая 100 МГц, умножается на 4), что обеспечивает пропускную способность шины в 3,2 ГБ/сек. Поэтому, для полной загрузки этой шины чипсет работает одновременно с двумя каналами Rambus (модули RIMM устанавливаются на материнскую плату парами), обеспечивая требуемую пропускную способность. (с памятью PC800 RDRAM). MCH рассчитан для работы с памятью PC600 и PC800 RDRAM.

Для работы с графической картой MCH 82850 поддерживает стандарт AGP4x, работающий при напряжении 1,5 В. Разъем под этот стандарт отличается от обычного наличием перемычки в задней части разъема (наличие этой перемычки и послужило причиной невозможности установить в материнские платы под Pentium 4 видеокарт Voodoo 5).

В качестве I/O Controller Hub используется ICH2 82801BA, хорошо известный по чипсетам для Pentium III i815E, i815EP и i810E2. Основными его особенностями являются поддержка стандарта Ultra ATA100, наличие 6-ти канального звука AC97 и встроенного сетевого интерфейса на 100 Мбит/сек. Также он поддерживает одну шину PCI 2.2 и имеет два встроенных контроллера шины USB 1.1. Текущая версия ICH2 оказалась не совсем совместима с MCH 82850. Некоторые карты PCI (некоторые версии аппаратных DVD декодеров) оказались неработоспособными с этим чипсетом. В настоящее время Intel уже разрешило уже имеющиеся проблемы и в конце февраля должна начать выпуск нового степпинга микросхемы ICH2.

Firmware Hub в i850 также не изменился. Его роль выполняет чип 82802 и используется он для хранения BIOS материнской платы и в качестве генератора случайных чисел.

Корпус

Intel ужесточила требования для корпуса ATX под материнские платы с Pentium 4. Теперь корпус должен соответствовать стандарту ATX 2.03. Это выражается в некоторых дополнительных требованиях как к самому корпусу, так и к блоку питания.

Поскольку процессоры Pentium 4 работают на частотах порядка нескольких гигагерц, то для того чтобы избежать перегрева процессора, он имеет очень массивный радиатор (весит порядка 400 г.). Крепление такого радиатора к материнской плате невозможно, поэтому он закрепляется 4 винтами на шасси корпуса. Соответственно в корпусе должны быть необходимые отверстия под эти винты .

Для обеспечения стабильной работы материнской платы блок питания в корпусе должен иметь мощность 300 Вт. Также он должен иметь дополнительный 4-х контактный разъем для подключения к материнской плате, обеспечивающий дополнительное питание +5 и +12В для процессора.

Тестирование реальной системы.

К нам на тестирование поступила материнская плата производства Intel D850GB, основанная на чипсете i850 и процессор Pentium 4 с частотой 1,4 ГГц в комплекте с двумя модуля RIMM PC800 производства Kingston объемом по 64 МБ. Эти модули идут в комплекте с процессором.

D850GB

Основные возможности платы D850GB описаны ниже.

• Процессор
  • Socket-423 процессор Intel Pentium 4 1,3-1,5 ГГц
  • Системная шина 400МГц
• Чипсет
  • Memory Controller Hub - Intel 82850
  • I/O Controller Hub 2 - Intel 82801
  • Firmware Hub - Intel 82802AB
• Системная память
  • 4 слота RIMM
  • Поддержка двух каналов RDRAM: до 2 гигабайт PC800/PC600 RDRAM памяти
  • Поддержка ECC
• Слоты расширения
  • 1 слот AGP Pro/AGP 4x 1,5В
  • 5 слотов PCI стандарта 2.2
  • 1 слот CNR
• Порты ввода/вывода
  • Один разъем для FDD
  • Один последовательный и один параллельный порты
  • Порты для PS/2 мыши и клавиатуры
  • Четыре встроенных порта USB
• Интегрированный IDE контроллер
  • 2 канала IDE, поддерживающие протоколы ATA33/66/100 (с поддержкой до 4 ATAPI-устройств)
• Интегрированное аудио
  • Аналоговый аудиокодек Analog Devices AD1881, подключенный к контроллеру AC97
• Сетевой контроллер
  • Intel® 82562EM 10/100 Mб/сек, интегрированный в ICH2. Поддерживается функция Wake on LAN
• BIOS
  • Intel/AMI BIOS, прошитый в 4 МБ флэш FMH
  • Поддержка ACPI, APM и PnP
• Форм-фактор
  • ATX 24,4 см x 30см

Плата поставляется с двумя заглушками под разъемы RIMM. BIOS платы сделан на основе AMI BIOS и обладает минимумом настроек. Никаких возможностей разгона в BIOS не предусмотрено. При пуске системы автоматически определяются параметры установленного процессора и памяти и изменить из BIOS их невозможно.

Условия тестирования.

Тестирование платы с процессором проводилось с использованием следующего оборудования:

• Материнская плата D850GB. BIOS версии P08-053.
• Процессор Pentium 4 1,4 ГГц.
• Жесткий диск IBM DTLA-307020
• Видеокарта Asus V7700 32 МБ DDR SGRAM. DVD-ROM Asus 8x

Для cравнения использовались

• Материнская плата Asus CUSL2. BIOS версии 1003
• Процессор Pentium III 866 МГц
• Память DIMM 128 МБ PC133. Все параметры памяти в BIOS'е материнской платы настроены на максимальную производительность CAS Latency - 2, SDRAM RAS to CAS Delay - 2, SDRAM Cycle Time - 5T/7T).
• Звуковая карта SB Live 1024.

При тестировании использовалось следующее программное обеспечение:

• Тестирование проводилось под управлением Windows 2000 Professional (English) с установленными Service Pack1, Internet Explorer 5.5, DirectX80 и WMP7.
• Для видеокарты использовались WHQL драйвера от nVIDIA версии 6.62. Адресация по боковой полосе отключена.
• Для интегрированного аудио на D850GB устанавливались драйвера SoundMAX2 3012.
• Звуковая карта SB Live 1024 использовалась с драйверами LiveWare 3.0 для Windows 2000
• На обе тестируемые системы устанавливались Intel Ultra ATA Storage Driver версии 6.03.009.
• При тестировании использовался Quake 3 v1.17. Все параметры графики были настроены на максимальное качество изображения, разрешение экрана 1024x768x32 VSinc on. Звук был установлен High.
  
• При тестировании в пакетах Winbench 99 и Content Creation Winstone 2000 выставлялось в 1024x768x32 при частоте 75Гц.
• Для кодирования видеофайла применялась программа FlackMPEG, оптимизированная под SSE2, и кодек DivX;) версии 3.20.

Все тесты выполнялись по три раза. В качестве итогового значения бралось их среднее арифметическое.

Результаты тестирования.

Общую производительность системы можно оценить на основе Content Creation Winstone 2000. В этом тесте исследуется работа в таких приложениях, как Adobe Premier, Netscape Navigator, Microsoft Excel и т.п.

Для оценки производительности работы процессора вместе с памятью используются тесты CPUmark 99 и FPU WinMark из пакета Winbench 99 ver 1.1. Тест CPUmark99 измеряет производительность процессора при выполнении целочисленных операций. На результаты этого теста сильное влияние оказывает скорость работы процессора с оперативной памятью.

Тест FPU WinMark определяет производительность процессора на операциях с плавающей точкой. На величину этого теста большее влияние оказывает объем и скорость кэш памяти процессора.

Как мы видим Pentium 4 показывает очень низкие результаты во всех трех тестах. При разнице в частоте в 534 МГц (60%) разница в производительности не превышает 10% (в CPUmark 99 - 8%, в FPU WinMark и того меньше - 4%). Очевидно, что на проблемы с производительностью наибольшее влияние оказывает длинный конвейер. При ошибочном предсказании перехода весь конвейер процессора очищается и вычисления приходится начинать сначала, а от начала вычислений до выдачи результата в блоке FPU должно пройти не менее 20 тактов процессора. Также на результаты вычислений оказывает влияние очень низкая латентность памяти RDRAM.

Посмотрим, как Pentium 4 поведет себя в играх. В приложениях такого рода очень интенсивно используются операции с плавающей точкой с большим количеством однородных данных. В качестве тестов, позволяющих определить возможности Pentium 4 в играх, использовался Quake 3 и пакет 3Dmark2000 ver 1.1. Следует учесть, что эти программы не имеют никакой оптимизации под SSE2.

В целом результаты тестов соответствуют результатам в FPU WinMark. Однако скорость работы в таких 3D приложениях очень сильно зависит от возможностей видеокарты. Поскольку мощности обоих процессоров хватает, чтобы практически полностью загрузить работой GeForce 2 GTS. Для того, чтобы определить возможности самого процессора в тесте 3Dmark 2000 использовался программный блок T&L.

Здесь процессор проявил себя значительно лучше. Этот тест позволяет оценить возможности процессора в таких приложениях, как 3DStudio, Maya и им подобных, где окончательный рендеринг сцены строится только процессором. В данном тесте сам процессор обсчитывал сцену и возможности потоковой обработки данных позволили Pentium 4 улучшить результаты на 22% по отношению к Pentium III 866 МГц.

Для оценки возможности SSE2 мы решили посмотреть как справиться процессор с кодированием фильма из формата MPEG 2 в формат DivX;). Для кодирования использовалась программа FlackMPEG, оптимизированная под SSE2. Весь необходимый софт можно найти здесь. В качестве источника данных использовался vob файл с диска DVD. При кодировании параметры кодека оставлялись по умолчанию.

Благодаря технологии SSE2 и возможностям процессора и памяти работать с большими объемами данных время кодирования файла было более чем в 2 раза меньше, чем на Pentium III.

Выводы

Новый процессор фирмы Intel Pentium 4 не является рекордсменом ни по скорости компьютера, собранного на его основе, ни по стоимости этого компьютера. Выпуском этого процессора Intel хочет подготовить пользователей к смене аппаратной архитектуры процессора, которая не менялась уже 5 лет со времен PentiumPro. Пока что компьютеры на базе этого процессора выглядят не слишком привлекательно из-за их стоимости и производительности на обычных приложениях (по сравнению с Pentium III и Athlon). Похожая ситуация была у Intel и при выходе PentiumPro, поэтому можно ожидать, что с выходом во второй половине этого года процессоров, сделанных на ядре Northwood вместе с чипсетом под дешевую память SDRAM и появлением большого числа приложений оптимизированных под Pentium 4, этот процессор займет свое место в высокопроизводительных ПК (а со временем и вовсе вытеснит PentiumIII).

Сейчас компьютер на базе процессора Pentium 4 можно рекомендовать тем, кто профессионально занимается обработкой видео и звука, а также 3D анимацией и другими аналогичными задачами.

Титул