A Pentium 4 az Intel egymagos, nagyteljesítményű, asztali és laptop gépekbe szánt CPU-sorozata volt; a Pentium III-at követte. A Pentium 4 típust az Intel 2000. november 20-án jelentette be, és egészen 2008. augusztus 8-ig szállította. Ez a processzortípus alapvetően egymagos, az x86 architektúrával kompatibilis, alapjául az Intel besorolása szerint hetedik generációs NetBurst mikroarchitektúra szolgál.
A Pentium 4 különböző változatai mellett a NetBurst mikroarchitektúrát a többmagos Pentium D és a szerverekbe szánt Xeon processzorokban is alkalmazták. „The Intel Xeon processor includes the same features as the Intel Pentium 4 processor and adds the following features...” Emellett az alacsony árú Celeron processzorok egy része is olyan Pentium 4-es, amelyben a másodszintű gyorsítótár (L2 cache) egy részét kikapcsolták.Celeron#NetBurst technológiás Celeronok: az L2 cache mérete ezekben csak 128 KB, a fele a Willamette-magban lévőnek A Pentium 4 sorozatba tartoznak még a 2005-ös Pentium Extreme Edition kétmagos processzorok is.
A Pentium 4 gyártása 2000-ben kezdődött. 2005 közepétől a kétmagos Pentium D processzor piaci megjelenésével a Pentium 4-esek ára csökkenni kezdett. 2006. június 27-én megjelentek az Core 2 Duo processzorcsalád első tagjai, amelyek felváltották a NetBurst architektúrájú processzorokat, és 2007. augusztus 8-án az Intel bejelentette, hogy (bizonyos határidőn belül) beszünteti ezek gyártását. Intel termékváltási bejelentés: az Intel megszünteti a Pentium 4 és Pentium D gyártását
Áttekintés bélyegkép|jobb|262px|Pentium 4 2,40 GHz órajelű Northwood-magos processzor, leszerelt hőterelő fedőlemezzel (jobbra). A 2 eurocentes jól érzékelteti a méretét.
A Pentium 4 CPU-k az újabb NetBurst mikroarchitektúrán alapulnak, amely jelentősen különbözött a korábbi, Pentium II és Pentium III processzorokban alkalmazott 1995-ös P6 mikroarchitektúrától. A NetBurst architektúrában a fő hangsúlyt az órajel növelése kapta; ez a felépítés az Intel állítása szerint megengedi az akár 10 GHz órajel használatát is, azonban melegedési-hűtési problémák miatt (különösen a Prescott-magos Pentium 4-nél) az órajelet 3,8 GHz-re korlátozták.http://www.pcauthority.com.au/News/163122,the-greatest-tech-u-turns-of-all-time-intel-and-netburst.aspx Az órajelfokozás egyik kulcseleme a hiper-futószalagos technológia („Hyper-Pipelined Technology”) bevezetése volt, ez a gyakorlatban egy igen hosszú, a dekódoló fokozatok nélkül is 20 fokozatú futószalag alkalmazását jelenti. A nagyon hosszú futószalag hatékonyságának növelése érdekében a Pentium 4 processzorokat olyan további speciális kiegészítőkkel látták el, mint a Trace Execution Cache (nyomkövető végrehajtási gyorsítótár), Enhanced Branch prediction (javított elágazás-előrejelzés), és Quad Data Rate bus (négyszeres adatátviteli sebességű busz).
Az első, Willamette kódnevű Pentium 4-magok órajele 1,3 GHz-től 2 GHz-ig terjedt. Ezeknél nem volt megfigyelhető túlzott sebességnövekedés, sőt néhány esetben lassabbak voltak, mint a leggyorsabb Pentium III processzorok; az Intel a rákövetkező Pentium 4-magokban további teljesítménynövelő újításokat alkalmazott.
A Pentium 4-ben jelent meg a 400 MT/s (megatransfers per second) sebességű front-side bus (FSB, memóriát és grafikát kiszolgáló busz). Ebben maga a busz 100 MHz-es sebességen működött, de négyszeres adatátvitelt biztosított. Összehasonlításképpen az AMD Athlon processzornál a kétszeres átvitelű FSB 100 vagy 133 MHz órajellel működött, így 200 vagy 266 MT/s sebességet érhetett el. A későbbi verziókban jelent meg a hiperszálas technológia (Hyper-Threading Technology, HTT), amely egy fizikai processzoron belül megengedi több végrehajtási szál futtatását egyidejűleg, ezáltal az egyetlen processzor látszólag két független processzorként működik (két logikai processzor). További sebességnövekedést jelentett a megnövelt L2 gyorsítótár.
A Pentium 4 CPU-k 144 új SIMD utasítást is kaptak, ez az SSE2 jelű utasításkészlet-kiterjesztés; a Prescott-magos Pentium 4s processzoroktól kezdve pedig megjelent ennek SSE3 jelű változata. Az SSE kiterjesztések a számítások, tranzakciók, a 3D grafika, a médiafeldolgozás és a játékok gyorsítására szolgálnak. Végül 2004-ben a Pentium 4 processzor eredetileg 32 bites x86 utasításkészletét kiterjesztették 64 bitesre, ez az x86-64 utasításkészlet.
Tokozások, fizikai jellemzők bélyegkép|Pentium 4 (Socket 423) bélyegkép|Pentium 4 (Socket 478) A Pentium 4 processzorokat asztali számítógépek és laptopok processzorainak szánták. A processzorok három különböző tokozásban kerültek forgalomba.
A korai Willamette-magot tartalmazó processzorokat 2000 novemberétől 2004 elejéig forgalmazták. Ezek a processzorok a Socket 423 foglalatba illeszthető FCPGA tokozással készültek. A tokozás alapját egy szerves anyagból készült hordozólemez képezte (substrate), a csatlakozók, a lapka és a hőterelő borítás erre van építve. A hordozólemez mérete 53,3×53,3 mm, ezen 423 csatlakozó tű található, aszimmetrikus kialakításban, így a foglalatba csak egy módon helyezhető. A foglalat ZIF típusú. A processzorkristályt egy hőterelő burkolat fedi (integrated heat spreader, IHS). A hordozó alsó részén néhány felületszerelt elem található. Ez a foglalat-tokozás páros nem tette lehetővé a 2 GHz fölötti órajel használatát, ezért ezt a gyorsabb processzoroknál újabb típus váltotta fel.
A későbbi Willamette-, a Northwood-, a Gallatin-magot tartalmazó Pentium 4 Extreme Edition processzorok egy része, valamint a korai (2001-től 2005-ig) Prescott-magos processzorok már a Socket 478 foglalatba illeszkedő FC-mPGA2 tokozással készültek. Ebben is megtalálható a hordozólemez és a hőterelő burkolat, a hordozón 478 csatlakozó tű található, a lemez mérete 35×35 mm. Chapter 4.0: Package Mechanical Specifications
A Gallatin-magot tartalmazó Pentium 4 Extreme Edition processzorok másik része, a későbbi Prescott-magos processzorok és a 2004 elejétől kibocsátott Prescott-2M- és Cedar Mill-alapú processzorok FC-LGA4 tokozásban jelentek meg, egészen 2007 őszéig. A tokozás felépítése hasonló az előzőekhez, megtalálható a hordozólemez és hőelvezető borítás. A lemez mérete 37,5×37,5 mm. A hordozólemez alsó részén 775 érintkező pont található – ezen a tokozáson az érintkezések nem tűk, hanem érintkezési pontok, a processzorfoglalatban vannak az érintkezőtüskék. 3: Package Mechanical Specifications
A Northwood-magos mobil processzorok egy részét FC-mPGA tokozással készítették. Ez abban különbözik a FC-mPGA2 tokozástól, hogy nincs rajta hőelvezető borítás.
A processzorok jelzései a hőterelő borításra kerültek, az ilyen borítás nélküli tokozásokon pedig a processzorkristály mellett két oldalon felragasztott matricákra. A processzorok jelölése tartalmazza a processzor megnevezését, alatta az órajel-frekvenciát, a gyorsítótárméretet, a buszsebességet és -feszültséget, valamint különböző sorozatszámokat. Az adatok gyakran egy 2D pontmátrix jelölésben is szerepelnek. 4.5 Processor Markings, p. 48
Architekturális jellemzők A Pentium 4 processzorok alapjául szolgáló NetBurst architektúra kifejlesztésének elsődleges célja a processzorok órajelének növelése volt. A NetBurst nem a Pentium III processzorokban használt P6 mikroarchitektúra utódja vagy folytatása, hanem egy teljesen új elveken alapuló kialakítás; legfontosabb vonásai a hiper-futószalagos kialakítás és a mikroutasítások gyorsítótárazása a hagyományos utasítás-gyorsítótár használata helyett. A NetBurst architektúrájú processzorok ALU-ja is lényegesen különbözik a többi architektúrában található ALU-któl. (Hogy fog működni ...)
A Northwood-mag futószalagjának vázlata
A futószalag húsz fokozatból áll: TC, NI (1, 2) – utolsó végrehajtott utasítás által mutatott mikroutasítások keresése TR, F (3, 4) – mikroutasítások kiválasztása D (5) – mikroutasítások áthelyezése AR (6–8) – processzor-erőforrások lefoglalása, regiszterek átnevezése Q (9) – mikroutasítások sorba állítása S (10–12) – végrehajtási sorrend meghatározása D (13–14) – előkészítés végrehajtásra, operandusok elővétele R (15–16) – operandusok olvasása a regiszterfájlból E (17) – végrehajtás F (18) – jelzőbitek (flagek) kiszámítása BC, D (19, 20) – eredmény helyességének ellenőrzése
Hiper-futószalagos technika (Hyper Pipelining)
A Willamette- és Northwood-magos Pentium 4 processzorokban 20 fokozatú futószalag van, míg a Prescott és Cedar Mill-magokra épülő processzorokban a futószalag már 31 fokozatú. Ebben nincsenek benne az utasítás-dekódolási fokozatok, mivel a mikroutasítás-gyorsítótár alkalmazása miatt a dekódolás a futószalagon kívül történik. Ez teszi lehetővé a rövidebb futószalagot, de az azonos gyártási technológiát használó processzorokhoz képest magasabb órajel használatát a Pentium 4 processzorokban. Például a Coppermine-alapú 180 nm-es technológiájú Pentium III processzorok maximális órajele 1333 MHz lehet, míg a Willamette-alapú Pentium 4 processzoroké elérheti a 2000 MHz-et is.
A hosszú futószalagok legnagyobb hátránya az utasítás-végrehajtás fajlagos hatékonyságának csökkenése a rövidebb futószalagokhoz képest (egy ciklus alatt kevesebb utasítás hajtódik végre), valamint az utasítások helytelen végrehajtása esetén előálló komoly veszteségek (pl. feltételes elágazás rossz előrejelzése vagy gyorsítótár-találati hiba esetén). (Replay: a NetBurst mag működésének ismeretlen sajátosságai)
A rosszul előre jelzett elágazások hatásának minimalizálása érdekében a NetBurst architektúrán alapuló processzorokba az elődökhöz képest megnövelt méretű elágazás-előrejelző puffer (branch target buffer) és újabb előrejelző algoritmus került, ami az előrejelzés pontosságát jelentősen megnövelte – kb. 94%-ra – a Willamette-magokban. A rákövetkező magokban tovább javítottak az előrejelző mechanizmuson, tovább növelve az elágazás-előrejelzés pontosságát.Pentium 4, Prescott-mag, ismertetések: (Intel Pentium 4 Prescott: fél lépés előre) (Intel Prescott: a sebesség nyomában)
Mikroutasítások gyorsítótárazása (Execution Trace Cache)
A NetBurst architektúrán alapuló processzorok, akárcsak a modern x86-kompatibilis processzorok többsége, olyan CISC processzorok, amelyek belsőleg RISC magot tartalmaznak: a bonyolult x86 utasításokat végrehajtás előtt egy mechanizmus sokkal egyszerűbb belső utasítások (mikroutasítások) sorozatává alakítja át, és ez lehetővé teszi az utasítások gyorsabb végrehajtását. Azonban, mivel az x86 utasítások változó hosszúak és nem rendelkeznek egységes utasításformátummal, ezek dekódolása jelentős időráfordítással jár. (Pentium 4: a misztikus, rejtélyes trace cache)
Mindezek miatt a NetBurst architektúra fejlesztése során úgy határoztak, hogy lemondanak a tradicionális első szintű gyorsítótárakról (ami ebben az esetben x86 utasításokat tartalmazott volna), ehelyett a dekódolt mikroutasítás-sorozatok kerülnek a gyorsítótárba a végrehajtás feltételezett sorrendjében. Ez a fajta gyorsítótár-szervezés lehetővé tette a feltételes elágazások végrehajtására és az utasítás kiválasztásra fordított idő csökkentését. az Execution Trace Cache működése
ALU és gyorsított egész értékű utasítás-végrehajtási mechanizmus (Rapid Execution Engine)
Mivel a NetBurst architektúra alapvető célja a hatékonyság növelése volt magas órajel használatával, szükségessé vált az egész értékű (integer) utasítások végrehajtásának gyorsítása is. Ennek érdekében a NetBurst-alapú processzorokban az ALU több részegységre lett darabolva: egy „lassú ALU” integer műveletek nagy tömegét képes végrehajtani, és két „gyors ALU”, amelyek csak a legegyszerűbb műveleteket – pl. összeadás – tudják végrehajtani. A „gyors ALU” három lépésben hajtja végre a műveleteket: először az eredmény alacsony helyiértékű részét számolja ki, a következő lépésben a magas helyiértékű részt, végül kiszámítja az állapotbiteket.