Intel Pentium 4

Come al mio solito non sto a spiegare le prestazioni e le velocita' di questo nuovo processore Intel, ma bensi' scegliero' un po' piu'... forse troppo nel dettaglio. Iniziamo col dire che il processore Pentium 4 (conosciuto come Willamette), puo' essere considerato come l'ultima frontiera prima del definitivo passaggio a 64-Bit.

Vediamo le innovazioni che Intel ha adottato per il successore del Pentium III. Quello che si nota subito è l’ormai definitivo abbandono della “Cartuccia” tipica dei Pentium II e di parte dei Pentium III. Questo perché, pur contenendo ora la bellezza di 34 milioni di transistor, che comprendono anche i 256-KB di cache di secondo livello integrata, come nei Pentium III, con i quali il P4 condivide anche la tecnologia di produzione da 0.18µ. Per il resto l’architettura interna della CPU differisce di molto dall’architettura P6 originaria, di cui il Pentium III è l’erede ultimo. Sebbene Pentium 4 nasca da una base comune, sono molte le differenze rispetto all’architettura nata con il Pentium Pro.

La più importante innovazione del Pentium 4 è sicuramente la nuova microarchitettura NetBurst Hyper Pipelined. In pratica le unità di esecuzione del Pentium 4 dispongono di una superpipeline da ben 20 stadi (nel Pentium Pro erano, 14, nel Pentium III 10), la più grande mai adottata da un processore superscalare. Questa struttura permette al Pentium 4 di raggiungere una frequenza che attualmente dovrebbe essere compresa tra 1.300 e 1.700-MHz. Ma siccome la coppia delle unità di esecuzione per le operazioni intere lavora a doppia frequenza (dual pumped) la loro frequenza è esattamente il doppio di quella del nucleo del processore, ovvero è compresa tra 2.600 e 3.400-MHz. Si tratta quindi della più sofisticata tecnologia oggi disponibile che conferma Intel nella sua leadership tecnologica.
Intel chiama questa architettura Rapid-Execution Engine e definisce in esso la presenza di “unità logico aritmetiche (ALU) con frequenza di clock doppia rispetto a quella del nucleo della CPU”. La leadership commerciale detenuta con il Pentium III è destinata invece a durare ancora. Il Pentium 4 sarà infatti principalmente destinato alle Workstation ed ai Server di fascia alta, anche se sarà ancora il Pentium III Xeon il processore più usato in questa fascia, soprattutto per via della maggiore quantità di cache interna, assai importante in molte applicazioni. Ma entro breve dovrebbe fare la comparsa anche Prescott. Non è sicuro, ma dovrebbe trattarsi della versione “Xeon” del Pentium 4, ovvero un nucleo Pentium 4 dotato di quantità di cache di secondo livello maggiori! Questa ipotesi è confermata dal fatto che Prescott userà uno zoccolo da 479 pin, mentre l’attuale Pentium 4 adotta uno zoccolo da 423 pin.

L’adozione di una pipeline così ampia, capace di apportare tutte queste innovazioni, presenta, tuttavia, anche delle problematiche, che Intel ha cercato di risolvere con diverse altre innovazioni.
Il problema, nella gestione di una pipeline così profonda, è legato alla struttura del programma che viene eseguito. Come sempre il succo del discorso è rappresentato dai salti, le diramazioni, presenti in ampia quantità, soprattutto nelle istruzioni x86. Ad ogni salto corrisponde un bivio, nel quale il processore si trova a scegliere l’una o l’altra strada a seconda delle condizioni che il processore è in grado però di verificare solo una volta eseguita la diramazione stessa. Ma i processori odierni, a partire dal Pentium Pro, sono stati progettati per occupare il più possibile le pipeline, in modo da essere sempre prontamente operativi, per questo sono stati dotati di particolari unità capaci di prevedere anche il 95% delle diramazioni. Quando si verifica un errore di previsione, il processore gira a vuoto e deve svuotare tutte le pipeline per ricaricare i dati ed eseguire l’operazione corretta. Ed ecco che a maggior numero di stadi pipeline, maggiore è il tempo sprecato per ricaricare i dati. Ecco perché una pipeline a 20 stadi è difficile da gestire.Ma la Intel ha previsto diversi modi per aggirare questo inconveniente ed ha quindi maggiormente incrementato la capacità di previsione.In primo luogo è stata migliorata la gestione della cache di primo livello (L1) grazie all’introduzione della Execution Trace Cache che elimina il tempo di latenza della pipeline del decoder e mette in cache le istruzioni “decodificate” migliorando l’efficienza e l’hit rate delle istruzioni in cache.

Il die del Pentium 4 conta 34 milioni di transistor costruiti a 0.18µ.
L’Esecuzione Dinamica dell’Architettura P6 è stata ottimizzata divenendo Advance Dynamic Execution. Questa ha permesso di migliorare le previsioni di salto (Branch Prediction). In questo modo vengono garantite prestazioni senza precedenti nelle applicazioni a 32-Bit, grazie all’ottimizzazione delle sequenze di istruzioni.
Il componente forse più importante e proprio la Execution Trace Cache. Si tratta di una specie di buffer circolare interposto tra il decoder (decodificatore) delle istruzioni e l’unità di allocazione delle risorse, che conserva le ultime istruzioni in forma già decodificata. Ciò permette di velocizzare di molto le operazioni “ripetitive”, perché ripetendo una sequenza di istruzioni non è necessario eseguire di nuovo anche la loro scomposizione in operazioni elementari. Unica pecca è che questo tipo di cache richiede una quantità di transistor circa otto volte superiore a quella della sola cache istruzioni. Il Pentium 4 è il primo processore a contenere questo tipo di cache che affianca le tradizionali cache dati e istruzioni di primo e secondo livello funzionanti alla stessa frequenza della CPU.
Il Pentium 4 dispone inoltre di una nuova unità di calcolo in parallelo, ottimizzata per il trattamento dei dati multimediali quali animazioni, immagini, suoni e grafica 3D. Caratteristica presente già da qualche anno nei processori PowerPC G4 e nota come Altivec, dove ha dimostrato la sua grande utilità, l’unità SIMD (Single Instruction, Multiple Data) progettata da Intel per il Pentium 4 è la più potente sul mercato per velocità e numero dei dati trattati simultaneamente: elabora i dati a blocchi di 128-Bit velocizzando enormemente le applicazioni 3D e quelle che eseguono elaborazioni di tipo DSP (ritocco fotografico, sintesi musicale, decodifica DVD ecc.) dove Pentium 4 può calcolare sino a 16 numeri interi o 2 in virgola mobile simultaneamente. L’unità è gestita attraverso 144 nuove istruzioni chiamate SSE2 e che di fatto mandano in pensione sia le vecchie MMX che le SSE introdotte dal Pentium III. Queste ultime potranno comunque essere eseguite, ma i programmatori che svilupperanno nuovi programmi potranno sfruttare nuove caratteristiche solo con le SSE2. Stranamente, poi, l’esecuzione delle istruzioni MMX è stata addirittura allentata, in quanto Intel ha collegato l’unità MMX del Pentium 4 ad un solo port dell’unità a Virgola Mobile, invece che a due, come nel Pentium III!

In futuro Intel ha anche previsto il rilascio di una versione di Pentium 4 costruito con la nuova tecnologia da 0.13µ, in fase di sviluppo. Unica pecca del Pentium 4 è l’enorme dissipazione di calore (tra 60 e 80 watt) che lo rende particolarmente problematico da implementare. Il supporto per la CPU è rappresentato dal chipset Intel i850. Esso prevede un bus dati di sistema da ben 400-MHz, ricavato grazie a 4 campionamenti su un bus da 100-MHz effettivi. Anche il bus indirizzi segue un principio simile, ma è campionato solo due volte sulla stessa frequenza di 100-MHz, per cui ha un impatto pari ad un bus dati da 200-MHz effettivi. Questo approccio garantisce prestazioni più elevate non solo rispetto al bus da 133-MHz semplice usato dal Pentium III, ma anche rispetto al bus EV-6 di Alpha adottato da AMD per l’Athlon. Infatti il bus AMD lavora solo su doppio fronte su un bus da 100 o 133-MHz, garantendo prestazioni effettive pari ad un bus da 200 o 266-MHz effettivi. La velocità di trasferimento del bus Intel è infatti di ben 3.2-GB/sec. Il supporto, poi delle potentissime, anche se assai costose, RAMBUS PC600 o PC800, assicura le più alte prestazioni disponibili sul campo, anche se le PC266 (dette anche DDR, ovvero delle memorie da 133-MHz che sfruttano il doppio fronte e sono equivalenti a RAM da 266-MHz) hanno prestazioni forse non da primato ma sono certamente più a buon costo! Il chipset per il Pentium 4 integra una connessione AGP 4x ed un controller EIDE Ultra/ATA 100. Con queste caratteristiche il Pentium 4 si prepara a succedere il PIII in attesa che Intel rilasci definitivamente Itanium (ex Merced) il suo primo processore a 64-Bit.

Forse un po' lungo... ma spero di essere stato chiaro! Buona scelta!