奔腾4的核心架构

奔腾4的核心架构

第一款Pentium 4 Willamette设计过程经过了很长时间的延迟。它最初在1998年的一个产品发展路线中提出，像英特尔把Pentium III作为他们的主流产品一样看待。当时，人们仅仅希望Willamette在面世时能够突破1GHz的屏障。然而，当Pentium III发布以后，很明显英特尔不能将Willamette称为Pentium III。由于它的架构与Pentium III相比有很大的不同，Pentium 4采用NetBurst架构，它被命名为Pentium 4，这也终结了英特尔以罗马数字命名的规则。
许多业界专家认为，最初的1.4和1.5GHz P4的发布只是在产品真正完善之前的一个权宜之计。根据这些专家的观点，Willamette的发布是因为当时竞争产品AMD AthlonThunderbird性能已经超过了Pentium III，并且英特尔对于Pentium III的改进还不现实。这个新的内核使用0.18微米〔180纳米〕工艺生产，最初在主板上使用Socket 423，后来的版本更改到Socket 478。
在性能测试中，Willamette的表现有点儿让分析人士失望，因为它不仅在所有的测试环境中不能超过Athlon和最高频率的Pentium III，而且很明显它并不优于低端的AMD Duron。尽管售价为819美元（1000颗的批发价），它的销售表现一般但是增长势头可观，这在一定程度上是由于需要相对较昂贵的Rambus动态随机存储器（RDRAM）所致。Pentium III仍然保持英特尔最卖座的芯片，Athlon的销售也稍稍领先于Pentium 4。
在2001年1月，一个频率更低的1.3GHz型芯片也加入到这个系列，但在随后的12个月中，英特尔慢慢追上了AMD的领先地位。2001年4月英特尔推出了1.7GHz的P4，它是第一个性能明显优于Pentium III的芯片。2001年7月英特尔推出了1.6和1.8GHz的型号，在8月它推出了1.9和2.0GHz的Pentium 4。在这个月中，它发布了一款新的能够支持廉价PC133 SDRAM的芯片组。尽管使用SDRAM将比RDRAM慢很多，PC133比较低廉的价格这样一个事实带来了Pentium 4销售的大幅增长，几乎是一夜之间就将Pentium III从市场销售首位的位置赶了下去。
2.0 GHz 是第一款真正能够挑战Athlon Thunderbird的P4，当时它是市场上无可争议的最快的x86处理器。许多观察人士认为雷鸟仍然是市场上总体性能最快的，但是它们之间的性能差距已经非常接近，所以任何一方的支持者宣称超出对方都不是不合理的。对于英特尔来说，这是一个了不起的成就。英特尔已经在x86CPU性能上保持了16年的领先位置，在AMD Athlon发布之前只出现过两次短暂的例外。 2001年10月Athlon XP又一次为AMD赢得了明显的领先，但是在2002年1月英特尔发布了使用Northwood内核的2.0和2.2GHz的Pentium 4。Northwood将二级缓存的大小从256KB增加到了512KB（晶体管数量从4200万增加到5500万）并且使用了130纳米制造工艺。使用更小晶体管制造的芯片能够在同样的速度产生更少的热量，或者工作在更高的时钟频率。不幸的是，对于许多用户来说，这个新的芯片不能用来升级旧的系统，因为它需要一个新的插座（Socket 478），虽然后来又制造了能够让Socket 423使用Northwood处理器的转换器。
Northwood带来了Pentium 4时代。尽管争夺性能领先的战斗依然很激烈（因为AMD发布了更快版本的Athlon XP）,但是许多观察人士都认同最快的Northwood P4稍稍领先于对手。尤其是在2002年夏天更是这样，当时AMD转换到130纳米制造技术过程被延迟，从2.4到2.8GHz范围的P4很显然是当时市场上最快的芯片。
2.4GHz的Pentium 4于2002年4月发布，总线速度从400MHz（100MHz四倍）提升到533MHz（133MHz四倍）用于5月发布的2.53GHz、8月发布的2.6和2.8GHz P4，3.06GHz的Pentium 4在11月发布。
3.06GHz的处理器支持超线程（首次出现在至强处理器中），它允许多个线程同时运行，它通过复制处理器的一部分让操作系统认为有两个逻辑处理器来实现。在所有的Northwood CPU中都有超线程机制，但是只在3.06GHz型号中允许使用。
2003年4月，英特尔发布了一系列频率范围从2.4到3.0GHz的新款800MHz FSB芯片。这些新版本的与以往芯片的主要不同就是全部都支持超线程机制，并且系统总线频率是800MHz。人们曾经猜想这些是为了与AMD处理器的Hammer系列竞争。然而，AMD只发布了Opteron一款，并且最初拒绝提供AGP控制器，这样就阻止了Opteron侵蚀Pentium 4的领地。AMD的确也将Athlon XP的总线速度从333MHz提升到了400MHz，但这并不能阻止新款的3.0GHz P4，并且FSB不是问题所在；从333MHz到400MHz的转换仅仅带来了很小的乃至没有性能提升。3.2GHz的Pentium 4在6月上市，最后一个3.4GHz的版本在2004年早期上市。 2003年9月，在英特尔开发者论坛上，Pentium 4极致版（Pentium 4 Extreme Edition,P4EE）面世了，这仅仅比AMD的Athlon 64和Athlon 64 FX（AMD64 FX）的发布早了一个星期。这个设计绝大部分与Pentium 4相同（以至于它们能工作在同一个主板）,但是它增加了一个2MB的3级缓存。它与至强MP使用同一个Gallatin内核，尽管它使用Socket 478形式（不同于至强MP的603插座）和是至强 MP速度两倍的800MHz总线。它同时也提供LGA775版本。
尽管英特尔宣称极致版主要面向游戏人员，人们认为这是英特尔试图减弱Athlon 64发布的震撼一种努力，将它戏称为“紧急版本”。令人奇怪的是，尽管很多人批评英特尔从至强系列拼凑技术，但是很少有人批评AMD，AMD在它们的Athlon 64 FX上使用了同样的方法（它与Opteron的差别甚至少于极致版与至强 MP的区别）。
增加的缓存的功效在不同环境会有所不同。在办公室应用中，极致版总体上比Northwood慢一点儿，这是由于L3缓存增加了门槛值。一些游戏程序受益于增加的缓存，尤其是那些基于Quake III和Unreal引擎的游戏。然而，提升最大的是在多媒体编码领域，在这里它不仅比奔腾4要快，而且比两款Athlon 64快。
在2004年晚些时候通过将总线速度从800MHz提升到1066MHz实现了小幅的性能提升。在Extreme Edition迁移到Prescott内核之前仅仅发布了一款3.46GHz基于Gallatin内核的芯片。新的3.73GHz Extreme Edition与6x0系列的Prescott 2M有同样的特性，不同的是它使用1066MHz总线。然而实际上3.73GHz Extreme Edition几乎总是比3.46GHz版本的速度要慢。
不要把Pentium 4极致版与后来发布的有类似名字的基于双核Pentium D的Pentium极致版相混淆。 2004年2月1日英特尔提出了一个代号为“Prescott”的新内核。这个内核首次使用90纳米的制造工艺，并且“它”是奔腾4微架构的一次重要更新——重要到足够让一些分析人士感到奇怪为什么英特尔没有选择将这个处理器称为Pentium 5。尽管Prescott工作在与Northwood相同的时钟速度，性能测试也显示在游戏应用程序中Northwood比Prescott还要稍微快一点儿，但是在视频编辑以及其它的多媒体应用中，Prescott额外的缓存让它比Northwood有明显的速度优势。Prescott的架构允许它很容易地使用更高的时钟速度。（参见超频。）3.8GHz是批量生产的基于Prescott处理器的最快的处理器。
紧接着产品发布之后，人们就发现Prescott每个时钟周期比Northwood多产生大约60%的热量，几乎所有的评论都是负面的。插座类型的转换（从Socket 478到LGA775）原本希望能够将发热降低到可以接受的水平，但是实际上却是产生了相反的效果，同时功率消耗也增加的大约10%。但是，LGA775涉及的降温和安装系统是一种更好的设计，所以平均温度有轻微的降低。英特尔工程师随后对处理器进行的修改工作有望降低平均温度，但是这除了降低速度等级之外从来也没有先例。
最后，温度问题变得非常严重英特尔不得不全部放弃Prescott架构，并且开发4GHz部分的努力也被认为是浪费内部资源而被放弃了。另外的担忧是审查发现在极端状况下需要5.2GHz的Prescott内核才能与2.6GHz的Athlon FX-55的性能相比。回首当初英特尔发布Pentium 4时吹嘘的Pentium 4是为10GHz的处理速度设计的，这将被看作英特尔历史上最重要的或许也是最广为人知的工程失败（engineering shortfalls）事件。
据报道Pentium M英特尔设计成员内部的参考设计，Pentium 4的开发实质上已经被放弃。
Prescott以这样一个灾难性的结局终结是英特尔内部的策略使然。市场部不断地要求更高的时钟速度以使他们的产品与AMD有所区别。处理器的设计被市场需求而不是被架构本身所控制。职业发展也基于更高时钟速度这样一个理念，当P4项目终止最终到来的时候，它对于有着资助良好的桌面分部的许多管理人员有着严重的影响。
最初有两种Prescott产品线上市：带有800MHz FSB和支持超线程的E系列以及533MHz FSB和不支持超线程的A系列。
LGA775 Prescott使用一个评价系统将它们标记为5xx系列（Celeron D是3xx系列，Pentium M是7xx系列）。E系列的LGA775版本使用型号5x0（520-560），A系列的LGA775版本使用型号5x5和5x9（505-519）。最快的570J和571工作在3.8GHz。
5x0J系列（以及相应的低端版本5x5J系列和5x9J系列）为英特尔处理器产品线引进了XD bit（eXecute Disable）或执行禁止位。这项最初由AMD最初使用并称为NX bit的技术能够帮助阻止一定类型的有害代码非法利用缓存器溢出来执行。
英特尔也发布了一系列支持EM64T的Prescott产品，它们是AMD64对于x86体系的64位扩充的 英特尔实现方法。这些产品最初作为F系列并且仅对OEM销售，但是后来重命名为5x1系列并且面向大众销售。两款低端的基于5x5/5x9系列的支持EM64T的Prescott也使用506和516的型号已经发布。
5x0、5x0J和5x1 Prescott为了加速一些诸如视频编辑这样使用多线程软件的处理器都集成有超线程技术。 英特尔在2005年第一季度发布了代号为“Prescott 2M”的编号6x0的新版Prescott内核。它包含了崭新的64位技术（AMD64的实现，英特尔称为EM64T）、XD、EIST（英特尔增强SpeedStep技术）以及2MB的L2缓存。然而，增加缓存带来的优势大部分被更高的缓存门槛、EM64T模式下的双字大小所抵消。双倍的缓存与其说是为了加快速度，不如说是为了提供同样的空间以保证64位模式下的性能。
6xx系列的Prescott 2M处理器为了加速用于如视频编辑等多线程软件的处理器，它们都包含有超线程技术。
2005年11月14日，英特尔发布了带有VT（虚拟技术，代号为“Vanderpool”）的Prescott 2M处理器。英特尔只发布了两款这种分别运行于3.6GHz 和 3.8GHz的Prescott 2M处理器：662和672。 英特尔已经发布了市场推广标识为Pentium D8xx的三款主流双核Pentium 4版本。人们称赞这些芯片每个时钟速度有60-80%的性能提升。一个极致版〔Extreme Edition〕也已上市，它有允许四个线程并行处理的超线程技术。其它的特点包括SpeedStep技术（在3.0GHz及以上版本）、xD bit和EM64T。这些芯片在2005年5月推向了市场。
绰号为Smithfield内核的第一款Pentium D处理器使两个相连的Prescott内核。电源消耗大约155瓦。英特尔开发人员通过让每个内核工作在极低的时钟频率实现了降低了从Prescott的电力消耗（115瓦）的大幅度增加。极致版工作在3.2GHz，主流型号的频率分别为3.2、3.0和2.8GHz。除805使用533MHz FSB外，其他基于Smithfield的处理器都使用800MHz的FSB。
2006年第一季度推出的是Presler，它是一个Smithfield内核的65纳米版本。基于Presler的Pentium D有800MHz的FSB、发布型号将是920、930、940、950，分别工作在2.8、3.0、3.2和3.4GHz。基于Presler的奔腾极致版使用型号955，工作在3.46GHz，带有1066MHz的FSB和超线程技术。

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