Intel Pentium 4: Eine Ära der Prozessoren

Der Intel Pentium 4 ist eine Serie von Einzelkern-CPUs, die von Intel für Desktops, Laptops und Einstiegsserver hergestellt wurden. Diese Prozessoren basierten alle auf der NetBurst-Mikroarchitektur, dem Nachfolger der erfolgreichen P6-Architektur, die unter anderem im Pentium III zum Einsatz kam. Die Auslieferung der ersten Pentium 4 Prozessoren begann am 20. November 2000 und die Produktion lief bis zum 8. August 2008. In dieser Zeit durchlief der Pentium 4 mehrere Revisionen und sah sich sowohl starker Konkurrenz als auch architektonischen Herausforderungen gegenüber.

Die NetBurst-Architektur war darauf ausgelegt, sehr hohe Taktfrequenzen zu erreichen. Ursprünglich hatte Intel erwartet, dass NetBurst-basierte Prozessoren nach mehreren Fertigungsprozess-Generationen auf bis zu 10 GHz skalieren könnten. Dieses Ziel wurde jedoch nie erreicht; die maximale Taktfrequenz der NetBurst-Mikroarchitektur lag letztendlich bei 3,8 GHz. Die Ursache dafür waren unerwartete Probleme mit der Transistor-Leckleistung, die bei kleineren Fertigungsprozessen (ab 90 nm) auftraten, sowie die standardmäßige Wärmeentwicklung. Diese Probleme führten zu Schwierigkeiten bei der Kühlung und der Skalierung der Taktfrequenz.

Intel vermarktete neben dem Pentium 4 auch Versionen ihrer Low-End-Celeron-Prozessoren, die auf der NetBurst-Mikroarchitektur basierten (oft als Celeron 4 bezeichnet), sowie eine High-End-Variante namens Xeon, die für Multi-Socket-Server und Workstations gedacht war. Im Jahr 2005 wurde der Pentium 4 durch die fortschrittlicheren Dual-Core-Marken Pentium D und Pentium Extreme Edition ergänzt. Alle diese Prozessoren wurden im Spitzenbereich schließlich durch die Marke Core 2 abgelöst, während die Produktion des Pentium 4 bis 2008 fortgesetzt und er dann durch den Pentium Dual-Core ersetzt wurde.

Die Entwicklung des Pentium 4: Kern-Revisionen

Der Pentium 4 entwickelte sich im Laufe seiner Lebenszeit durch mehrere bedeutende Kern-Revisionen, die jeweils neue Technologien und Verbesserungen mit sich brachten.

Willamette (180 nm)

Der erste Pentium 4 Kern trug den Codenamen Willamette. Das Projekt begann bereits 1998, als Intel den Pentium II als ihre dauerhafte Linie sah. Ursprünglich sollte der Willamette-Kern Frequenzen von etwa 1 GHz erreichen. Aufgrund radikaler Unterschiede zwischen der P6- und der NetBurst-Mikroarchitektur konnte Intel Willamette nicht als Pentium III vermarkten, daher wurde er als Pentium 4 eingeführt. Die ersten Willamette-basierten Pentium 4 Prozessoren wurden am 20. November 2000 mit Taktfrequenzen von 1,4 und 1,5 GHz veröffentlicht.

Diese erste Version wurde im 180-nm-Verfahren hergestellt und nutzte zunächst den Sockel 423, spätere Revisionen wechselten zum Sockel 478. Auf dem Prüfstand war Willamette für Analysten etwas enttäuschend, da er nicht nur den Athlon und die höchstgetakteten Pentium IIIs nicht in allen Testsituationen übertreffen konnte, sondern auch dem AMD Duron aus dem Budget-Segment nicht überlegen war. Trotz der Einführungspreise von 644 $ (1,4 GHz) und 819 $ (1,5 GHz) verkaufte er sich bescheiden, was auch durch die Anforderung an den relativ schnellen, aber teuren Rambus Dynamic RAM (RDRAM) behindert wurde.

Im Januar 2001 wurde ein noch langsameres 1,3-GHz-Modell hinzugefügt. Erst mit der Einführung des 1,7 GHz Modells im April 2001 zeigte der Pentium 4 eine Leistung, die der des alten Pentium III deutlich überlegen war. Wichtige Fortschritte kamen im Juli 2001 mit 1,6 und 1,8 GHz Modellen und im August 2001 mit 1,9 und 2 GHz Modellen. Im selben Monat veröffentlichte Intel den 845-Chipsatz, der viel billigeren PC133 SDRAM unterstützte, was den Verkauf des Pentium 4 erheblich steigerte und ihn schnell zum meistverkauften Mainstream-Prozessor auf dem Markt machte.

Der Willamette-Kern führte die SSE2-Instruktionen ein, eine Erweiterung der Streaming SIMD Extensions.

Northwood (130 nm)

Im Januar 2002 veröffentlichte Intel Pentium 4 Prozessoren mit einem neuen Kern namens Northwood. Dieser Kern wurde im fortschrittlicheren 130-nm-Fertigungsprozess hergestellt und vergrößerte den L2-Cache von 256 KB auf 512 KB, was die Transistoranzahl von 42 Millionen auf 55 Millionen erhöhte. Kleinere Transistoren ermöglichten höhere Taktfrequenzen und geringere Wärmeentwicklung. Gleichzeitig wurden im selben Monat Boards mit dem 845-Chipsatz veröffentlicht, die DDR-SDRAM unterstützten, was die Bandbreite im Vergleich zu PC133 SDRAM verdoppelte und die hohen Kosten der Verwendung von RDRAM für maximale Leistung mit dem Pentium 4 reduzierte.

Mit Northwood erreichte der Pentium 4 die volle Reife. Die Leistungskonkurrenz blieb bestehen (AMD führte schnellere Versionen des Athlon XP ein), aber die meisten Beobachter waren sich einig, dass der Northwood-basierte Pentium 4 mit der höchsten Taktfrequenz seinem Rivalen meist voraus war. Besonders deutlich wurde dies Mitte 2002. Die Busgeschwindigkeit wurde von 400 MT/s auf 533 MT/s für die Modelle ab 2,26 GHz erhöht. Im November 2002 führte Intel mit dem 3,06 GHz Pentium 4 die Hyper-Threading Technologie (HTT) ein. HTT ermöglichte es einem einzigen physischen Prozessorkern, mehrere Threads gleichzeitig auszuführen, indem er Prozessorressourcen nutzte, die sonst ungenutzt geblieben wären.

Am 14. April 2003 führte Intel offiziell den neuen Pentium 4 HT Prozessor mit einem 800 MT/s FSB (200 MHz physikalischer Takt) und 3 GHz Taktfrequenz ein. Dieser erhöhte FSB half erheblich, die Bandbreitenanforderungen der NetBurst-Architektur für optimale Leistung zu erfüllen. Die 800 MT/s FSB-Varianten des Northwood gab es mit Frequenzen von 2,4 GHz, 2,6 GHz, 2,8 GHz, 3,0 GHz, 3,2 GHz und schließlich 3,4 GHz.

Beim Übertakten früher Northwood-Kerne trat ein Phänomen auf, das als Sudden Northwood Death Syndrome (SNDS) bekannt wurde. Bei Annäherung an Kernspannungen von 1,7 V und darüber wurde der Prozessor über Wochen oder Monate langsam instabiler, die maximale stabile Taktfrequenz sank, bevor er schließlich unbrauchbar wurde. Dies wurde durch Elektromigration verursacht.

Prescott (90 nm)

Am 1. Februar 2004 stellte Intel einen neuen Kern mit dem Codenamen Prescott vor. Dieser Kern wurde erstmals im 90-nm-Verfahren hergestellt und stellte eine bedeutende Überarbeitung der Mikroarchitektur des Pentium 4 dar. Trotz dieser Überarbeitung waren die Leistungssteigerungen inkonsistent. Einige Programme profitierten von Prescotts verdoppeltem Cache (L2 auf 1 MB) und den neuen SSE3-Instruktionen, während andere durch seine längere Pipeline (31 Stufen im Vergleich zu 20 bei Northwood) beeinträchtigt wurden.

Die Mikroarchitektur von Prescott ermöglichte etwas höhere Taktfrequenzen, aber nicht annähernd so hoch, wie Intel erwartet hatte. Die schnellsten in Massenproduktion hergestellten Prescott-basierten Pentium 4s waren mit 3,8 GHz getaktet. Während Northwood letztendlich Taktfrequenzen erreichte, die 70 % höher waren als bei Willamette, skalierte Prescott nur 12 % über Northwood hinaus. Die Unfähigkeit von Prescott, höhere Taktfrequenzen zu erreichen, wurde auf den sehr hohen Stromverbrauch und die Wärmeentwicklung des Prozessors zurückgeführt. Dies führte dazu, dass der Prozessor in Foren den Spitznamen "PresHot" erhielt.

Die Einführung von Prescott fiel auch mit der Einführung des Sockels LGA 775 zusammen. Tests zeigten, dass ein bestimmter Pentium 4 für LGA 775 mehr Strom verbrauchte und mehr Wärme produzierte als derselbe Chip im Sockel 478-Gehäuse. Die Prescott-Prozessoren waren die ersten, die SSE3 unterstützten. Sie verfügten über 125 Millionen Transistoren auf einer Die-Fläche von 112 mm².

Ursprünglich veröffentlichte Intel zwei Prescott-Linien für Sockel 478: die E-Serie mit 800 MT/s FSB und Hyper-Threading-Unterstützung sowie die Low-End-A-Serie mit 533 MT/s FSB und deaktiviertem Hyper-Threading. LGA 775 Prescott CPUs verwendeten ein Nummerierungssystem (5xx Serie). Die Prescott-Mikroarchitektur wurde entwickelt, um Intel 64 zu unterstützen, Intels Implementierung der von AMD entwickelten x86-64 64-Bit-Erweiterungen. Anfangs war diese Funktion deaktiviert, wurde aber später in der 5x1-Serie und der F-Serie für OEMs aktiviert. Das E0-Stepping der Prescott-Serie führte auch das XD Bit (eXecute Disable), Intels Name für das NX Bit, ein, das helfen kann, bestimmte Arten von bösartigem Code daran zu hindern, durch Pufferüberläufe ausgeführt zu werden.

Prescott 2M (90 nm)

Im ersten Quartal 2005 veröffentlichte Intel einen neuen Prescott-Kern mit 6x0-Nummerierung, Codenamen Prescott 2M. Er verfügte über 2 MB L2-Cache, Intel 64, das XD Bit, EIST (Enhanced Intel SpeedStep Technology) und Thermal Monitor 2 (für Prozessoren ab 3,6 GHz). Die 2 MB L2-Cache führten jedoch zu einer höheren Cache-Latenz im Vergleich zu Prescott, was den Vorteil des größeren Caches weitgehend aufhob, da es kaum Consumer-Programme gab, die mehr Cache benötigten. Der größere Cache sollte eher für den 64-Bit-Modus nützlich sein.

Am 14. November 2005 veröffentlichte Intel Prescott 2M Prozessoren mit aktivierter VT (Virtualization Technology, Codenamen Vanderpool). Intel veröffentlichte nur zwei Modelle dieser Kategorie: 662 und 672, mit 3,6 GHz bzw. 3,8 GHz.

Cedar Mill (65 nm)

Die letzte Revision des Pentium 4 war Cedar Mill, veröffentlicht am 5. Januar 2006. Dies war ein Die-Shrink des Prescott-basierten 600er-Serienkerns auf 65 nm. Es gab keine wirklichen Feature-Ergänzungen, aber eine signifikant reduzierte Stromaufnahme. Der Cedar Mill hatte eine geringere Wärmeabgabe als Prescott, mit einer TDP von 86 W, die beim D0-Stepping Ende 2006 auf 65 W reduziert wurde. Er behielt die 31-stufige Pipeline von Prescott bei, verfügte über 800 MT/s FSB, Intel 64 und Hyper-Threading, aber keine Virtualisierungstechnologie. Wie Prescott 2M hatte auch Cedar Mill einen 2 MB L2-Cache.

Cedar Mill Prozessoren reichten in der Frequenz von 3,0 bis 3,6 GHz. Übertakter schafften es, mit diesen Prozessoren unter Verwendung von Flüssigstickstoffkühlung über 8 GHz zu erreichen.

Spezielle Varianten des Pentium 4

Pentium 4 Extreme Edition

Im September 2003 kündigte Intel die Pentium 4 Extreme Edition (P4EE) an, kurz vor der Einführung des Athlon 64. Das Design war weitgehend identisch mit dem Pentium 4, unterschied sich aber durch einen zusätzlichen 2 MB Level 3 Cache. Er teilte denselben Gallatin-Kern wie der Xeon MP, allerdings im Sockel 478 Formfaktor und mit einem 800 MT/s Bus. Obwohl Intel behauptete, die Extreme Edition richte sich an Gamer, sahen Kritiker sie als Versuch, die Einführung des Athlon 64 zu stören, und nannten sie scherzhaft "Emergency Edition". Mit einem Preis von 1000 $ wurde sie auch als "Expensive Edition" oder "Extremely Expensive" bezeichnet.

Der zusätzliche Cache führte generell zu einer spürbaren Leistungssteigerung in den meisten prozessorintensiven Anwendungen. Multimedia-Encoding und bestimmte Spiele profitierten am meisten. Die Extreme Edition übertraf den Pentium 4 und sogar die beiden Athlon 64 Varianten, obwohl der niedrigere Preis des Athlon 64 ihn oft als das bessere Preis-Leistungs-Verhältnis erscheinen ließ.

Im Januar 2004 wurde eine 3,4 GHz Version für Sockel 478 veröffentlicht, und im Sommer 2004 kam die CPU für den neuen Sockel 775 (LGA 775) heraus. Eine leichte Leistungssteigerung wurde Ende 2004 durch Erhöhung der Busgeschwindigkeit von 800 MT/s auf 1066 MT/s erreicht, was zu einem 3,46 GHz Pentium 4 Extreme Edition führte. Nach den meisten Metriken war dies pro Takt der schnellste Einzelkern-NetBurst-Prozessor, der je produziert wurde.

Später wurde die Pentium 4 Extreme Edition auf den Prescott-Kern (Prescott 2M XE) migriert. Die neue 3,73 GHz Extreme Edition hatte dieselben Merkmale wie ein 6x0-Serie Prescott 2M, aber mit einem 1066 MT/s Bus. In der Praxis erwies sich der 3,73 GHz Pentium 4 Extreme Edition jedoch fast immer als langsamer als der 3,46 GHz Pentium 4 Extreme Edition, was höchstwahrscheinlich auf das Fehlen eines L3-Caches und die längere Instruktionspipeline zurückzuführen ist. Der einzige Vorteil des 3,73 GHz Modells war die Fähigkeit, 64-Bit-Anwendungen auszuführen, da alle Gallatin-basierten P4 Extreme Edition Prozessoren Intel 64 (damals EM64T genannt) fehlten.

Mobile Versionen

Basierend auf dem Northwood-Kern wurde am 23. April 2002 der Mobile Intel Pentium 4 Processor - M (auch bekannt als Pentium 4 M) veröffentlicht. Er enthielt Intels SpeedStep- und Deeper Sleep-Technologien zur Reduzierung des Stromverbrauchs. Seine TDP lag in den meisten Anwendungen bei etwa 35 Watt. Im Gegensatz zum Desktop Pentium 4 verfügte der Pentium 4 M nicht über einen integrierten Heatspreader (IHS) und arbeitete mit einer niedrigeren Spannung.

Der Mobile Intel Pentium 4 Processor wurde veröffentlicht, um das Problem zu lösen, einen vollwertigen Desktop Pentium 4 Prozessor in einen Laptop zu integrieren. Der Mobile Pentium 4 nutzte einen 533 MT/s FSB. Die TDPs dieser Prozessoren lagen zwischen 59,8 und 70 W, bei den Hyper-Threading-Varianten zwischen 66,1 und 88 W.

Technische Aspekte

Der Pentium 4 führte oder verbesserte mehrere Schlüsseltechnologien:

• NetBurst-Mikroarchitektur: Geplant für hohe Taktfrequenzen mit langer Pipeline und Trace Cache.
• SSE2 und SSE3: Instruktionssets zur Beschleunigung von Multimedia- und wissenschaftlichen Berechnungen. SSE2 wurde mit Willamette eingeführt, SSE3 mit Prescott.
• Hyper-Threading (HTT): Ermöglichte einem einzelnen Kern, zwei Threads gleichzeitig auszuführen, um die Auslastung der Prozessoreinheiten zu verbessern (ab Northwood 3.06 GHz).
• Intel 64 (EM64T): Intels Implementierung der x86-64 64-Bit-Architektur (ab Prescott, später aktiviert).
• XD Bit (NX Bit): Eine Sicherheitsfunktion, die hilft, die Ausführung von Code in bestimmten Speicherbereichen zu verhindern (ab Prescott E0 Stepping).
• Integrierter Heatspreader (IHS): Eine Metallkappe auf dem Die, die ihn vor Beschädigungen schützt und den Wärmeübergang zum Kühler verbessert.
• Sockel: Über die Lebenszeit des P4 wurden verschiedene Sockel verwendet: Sockel 423, Sockel 478 und LGA 775.

Herausforderungen und Kritik

Die NetBurst-Architektur hatte mit erheblichen Herausforderungen zu kämpfen. Das Hauptproblem war der hohe Stromverbrauch und die damit verbundene Wärmeentwicklung, die das Erreichen der ursprünglich geplanten sehr hohen Taktfrequenzen verhinderten. Dieses Problem wurde mit dem 90-nm-Prescott-Kern besonders deutlich.

Die Einführung des Pentium 4 wurde mit gemischten Kritiken aufgenommen. Entwickler bemängelten, dass er neue Regeln für die Code-Optimierung erforderte. In einigen Anwendungen, insbesondere solchen mit vielen Verzweigungen oder x87-Gleitkommainstruktionen, konnte der Pentium 4 nur mit seinem Vorgänger mithalten oder war sogar langsamer. Seine anfängliche Abhängigkeit von teurem RDRAM war ebenfalls ein Nachteil. Die starke Betonung der Taktfrequenz durch Intel-Marketing führte dazu, dass die NetBurst-Architektur von einigen als "Marchitecture" (Marketing-Architektur) und der Prozessor selbst als "NetBust" bezeichnet wurden, was die negative Wahrnehmung seiner Leistung widerspiegelte.

Das Ende einer Ära

Von 2003 bis 2005 verlagerte Intel die Entwicklung weg von NetBurst und konzentrierte sich auf die energieeffizientere Pentium M Mikroarchitektur. Am 5. Januar 2006 führte Intel die Core-Prozessoren ein, die einen größeren Schwerpunkt auf Energieeffizienz und Leistung pro Taktzyklus legten. Die letzten NetBurst-basierten Produkte wurden 2007 veröffentlicht, danach wechselten alle nachfolgenden Produktfamilien ausschließlich zur Core-Mikroarchitektur. Die Produktion des Pentium 4 wurde bis 2008 fortgesetzt, bevor er endgültig durch neuere Architekturen ersetzt wurde.

Häufig gestellte Fragen zum Intel Pentium 4

Wie alt ist der Intel Pentium 4?

Der erste Intel Pentium 4 wurde am 20. November 2000 veröffentlicht. Damit ist die Architektur über 20 Jahre alt. Die Produktion lief bis August 2008.

Was war das Hauptmerkmal des Pentium 4?

Das Hauptmerkmal war die NetBurst-Mikroarchitektur, die auf sehr hohe Taktfrequenzen ausgelegt war. Intel setzte stark auf die Taktfrequenz als Marketinginstrument.

Warum wurde der Pentium 4 kritisiert?

Er wurde wegen seiner inkonsistenten Leistung in bestimmten Anwendungen, seines hohen Stromverbrauchs und seiner Wärmeentwicklung kritisiert. Die starke Betonung der Taktfrequenz (Megahertz-Mythos) wurde ebenfalls bemängelt.

Welche Technologien führte der Pentium 4 ein?

Der Pentium 4 führte oder populierte Technologien wie SSE2 (Willamette), SSE3 (Prescott), Hyper-Threading (HTT) und Intel 64 (64-Bit-Unterstützung, Prescott) in den Mainstream-Markt ein.

Welche Prozessoren lösten den Pentium 4 ab?

Im Spitzenbereich wurde der Pentium 4 durch die Core 2 Prozessoren abgelöst. Im unteren und mittleren Segment wurde er durch den Pentium Dual-Core ersetzt.

Der Intel Pentium 4 war zweifellos ein prägender Prozessor seiner Zeit, auch wenn er mit architektonischen Herausforderungen und gemischter öffentlicher Wahrnehmung zu kämpfen hatte. Er repräsentiert eine interessante Phase in der Geschichte der Computerhardware, in der der Wettlauf um die höchste Taktfrequenz im Vordergrund stand.

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