Netburst
Prima di parlare dell'architettura Netburst e del Pentium 4 è importante soffermarsi sul concetto di pipeline, ossia il processo in cui le istruzioni si spostano nel core. Gli stadi della pipeline spesso svolgono più operazioni, ma a volte sono dedicati a singole funzioni.
Aggiungendo nuovo hardware o suddividendo uno stadio in più segmenti, si può estendere la pipeline. La pipeline può anche essere accorciata rimuovendo hardware o combinando più stadi in uno singolo.
La lunghezza o profondità della pipeline ha un impatto diretto su latenza, IPC, frequenza e throughput dell'architettura. Di solito le pipeline più lunghe richiedono maggior bandwidth, ma se la pipeline è sempre alimentata, ogni stadio rimane occupato. I processori che hanno pipeline più lunghe di solito sono in grado di lavorare anche a frequenze maggiori.
Il compromesso è una latenza interna al processore molto più alta, con i dati che vi passano attraverso che devono fermarsi in ogni stadio per un determinato numero di cicli di clock. I processori con una pipeline lunga tendono ad avere un IPC inferiore, ed è il motivo per cui si affidano a frequenze maggiori per aumentare le prestazioni. Nel corso degli anni ci sono stati processori di successo basati su entrambe le filosofie. Nessuno dei due approcci, di base, è sbagliato.
Netburst, P4 Willamette e Northwood
Nel 2000 l'architettura Netburst fu finalmente pronta e arrivò sul mercato sotto forma di Pentium 4. La prima soluzione si chiamava Willamette e durò per circa 2 anni. Il chip faticò a superare il Pentium III. Netburst raggiungeva frequenze molto più alte - Willamette toccò i 2 GHz - ma il Pentium III a 1,4 GHz era più veloce in alcune operazioni. I processori Athlon di AMD godettero di un buon vantaggio in questo periodo.
Il problema di Willamette era che Intel portò la pipeline a 20 stadi credendo di poter superare i 2 GHz. Consumi e temperature le impedirono di raggiungere tale obiettivo. La situazione migliorò con il passaggio ai 130 nanometri, noto come Northwood, che scalò fino a 3,2 GHz e raddoppiò la cache L2 da 256 a 512 KB. I problemi di consumi e temperatura di Netburst persistettero. Northwood riuscì però a comportarsi nettamente meglio e a competere meglio con le soluzioni di AMD.
Sui modelli di fascia alta, Intel introdusse l'Hyper-Threading per migliorare l'uso delle risorse in ambienti multitasking. Rispetto a oggi però i benefici furono decisamente minori. Willamette e Northwood vennero usati anche per creare CPU Celeron e Xeon. Come con le precedenti generazioni Celeron e Xeon, Intel aumentò o ridusse la dimensione della cache L2.
P6, Pentium M
Netburst non era un'architettura pensata per il settore mobile. Per questo nel 2003 Intel creò la sua prima architettura per i notebook, e più precisamente i processori Pentium M. I chip erano basati sull'architettura P6, ma avevano una pipeline più lunga (12/14 stadi). Fu anche la prima volta che Intel adottò una pipeline a lunghezza variabile.
Ciò significava che le istruzioni potevano essere svolte dopo 12 stadi, ma solo se l'informazione richiesta per l'istruzione era già nella cache. Se non lo era, si passava per due stadi aggiuntivi.
I Pentium M erano basati su transistor a 130 nanometri e contenevano 1 MB di cache L2. Si arrivò fino a 1,8 GHz, consumando appena 24,5 watt. Una successiva revisione - Dothan - passò ai 90 nanometri.
Questo permise a Intel di aumentare la cache L2, portandola a 2 MB e migliorare il throughput IPC grazie ad alcuni ritocchi al core. La frequenza crebbe fino a 2,27 GHz, con un leggero aumento dei consumi (27 watt).
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