Pentium 4

Según Bob Bentley, quien presentó en nombre de Intel en la 38.ª Conferencia Anual de Automatización del Diseño, «La microarquitectura del procesador Pentium 4 es significativamente más compleja que cualquier microprocesador IA-32 anterior, por lo que el desafío de validar la corrección lógica del diseño de manera oportuna fue realmente formidable». Contrató a un equipo de 60 recién graduados para ayudar con las pruebas y la validación. ^{[ 17 ]}

Pentium 4 Willamette ( Zócalo 478 ), vista superior e inferior que muestran los pines de contacto.

Willamette, el nombre en clave del proyecto para la primera implementación de la microarquitectura NetBurst, sufrió grandes retrasos en su diseño. El proyecto se inició en 1998, cuando Intel consideraba al Pentium II como su línea principal. En aquel entonces, se esperaba que el núcleo Willamette operara a frecuencias de hasta aproximadamente 1  GHz. Sin embargo, el Pentium III se lanzó mientras Willamette aún estaba en desarrollo. Debido a las diferencias radicales entre las microarquitecturas P6 y NetBurst, Intel no pudo comercializar Willamette como un Pentium III, por lo que se comercializó como Pentium 4.

El 20 de noviembre de 2000, Intel lanzó el Pentium 4 basado en Willamette, con frecuencias de 1,4 y 1,5  GHz. La mayoría de los expertos de la industria consideraron este lanzamiento inicial como una solución provisional, introducida antes de estar realmente lista. Según estos expertos, el Pentium 4 se lanzó porque el AMD Athlon, basado en Thunderbird , superaba en rendimiento al ya obsoleto Pentium III, y aún no era posible realizar mejoras adicionales en este último. El Pentium 4 se fabricó mediante un proceso de 180 nm y, en un principio, utilizó el Socket 423 (también llamado Socket W, por "Willamette"), aunque posteriormente se pasó al Socket 478 (Socket N, por "Northwood"). Estas variantes se identificaron con los códigos de producto de Intel 80528 y 80531, respectivamente. 

En el banco de pruebas, el Willamette fue algo decepcionante para los analistas, ya que no solo no pudo superar al Athlon y a los Pentium III de mayor frecuencia en todas las situaciones de prueba, sino que tampoco fue superior al AMD Duron del segmento económico . ^{[ 18 ]} Aunque se introdujo a precios de $644 (1,4  GHz) y $819 (1,5  GHz) para cantidades de 1000 para fabricantes de PC OEM (los precios para los modelos para el mercado de consumo variaban según el minorista), se vendió a un ritmo modesto pero respetable, algo limitado por el requisito de una RAM dinámica Rambus ( RDRAM ) relativamente rápida pero costosa. El Pentium III siguió siendo la línea de procesadores más vendida de Intel, con el Athlon también vendiéndose ligeramente mejor que el Pentium 4. Si bien Intel incluyó dos módulos RDRAM con cada caja de Pentium 4, esto no facilitó las ventas del Pentium 4 y muchos no lo consideraron una verdadera solución.

En enero de 2001,  se añadió a la gama un modelo de 1,3 GHz aún más lento, pero durante los siguientes doce meses, Intel comenzó a reducir gradualmente el liderazgo de AMD en rendimiento. En abril de 2001  se lanzó un Pentium 4 de 1,7 GHz, el primer modelo que ofreció un rendimiento claramente superior al del antiguo Pentium III. En julio se lanzaron  los modelos de 1,6 y 1,8 GHz y en agosto de 2001, Intel lanzó  los Pentium 4 de 1,9 y 2 GHz. En el mismo mes, lanzaron el chipset 845 que admitía SDRAM PC133 mucho más barata en lugar de RDRAM. ^{[ 19 ]} El hecho de que la SDRAM fuera mucho más barata hizo que las ventas del Pentium 4 crecieran considerablemente. ^{[ 19 ]} El nuevo chipset permitió que el Pentium 4 reemplazara rápidamente al Pentium III, convirtiéndose en el procesador convencional más vendido del mercado.

El nombre en clave Willamette deriva de la región del valle de Willamette en Oregón, donde se ubica un gran número de las instalaciones de fabricación de Intel .

En enero de 2002, Intel lanzó los Pentium 4 con un nuevo núcleo con nombre en clave Northwood a velocidades de 1,6  GHz, 1,8  GHz, 2  GHz y 2,2  GHz. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Northwood (código de producto 80532) combinó un aumento en el tamaño de la caché L2 de 256  KB a 512  KB (aumentando el número de transistores de 42 millones a 55 millones) con una transición a un nuevo proceso de fabricación de 130 nm . ^{[ 21 ]} Hacer el procesador con transistores más pequeños significa que puede funcionar a velocidades de reloj más altas y producir menos calor. En el mismo mes se lanzaron placas que utilizaban el chipset 845 con soporte habilitado para DDR SDRAM que proporcionaba el doble de ancho de banda que la SDRAM PC133 y aliviaba los altos costos asociados de usar Rambus RDRAM para obtener el máximo rendimiento con Pentium 4.

El  Pentium 4 de 2,4 GHz se lanzó el 2 de abril de 2002, y la velocidad del bus aumentó de 400 MT/s a 533 MT/s ( reloj físico de 133 MHz) para los modelos de 2,26 GHz, 2,4 GHz y 2,53 GHz en mayo, los modelos de 2,66 GHz y 2,8 GHz en agosto, y el modelo de 3,06 GHz en noviembre. Con Northwood, el Pentium 4 alcanzó la madurez. La batalla por el liderazgo en rendimiento se mantuvo competitiva (ya que AMD introdujo versiones más rápidas del Athlon XP), pero la mayoría de los observadores coincidieron en que el Pentium 4 basado en Northwood con la frecuencia de reloj más alta solía estar por delante de su rival. Esto fue particularmente cierto a mediados de 2002, cuando el cambio de AMD a su proceso de producción de 130 nm no ayudó a que las CPU Athlon XP de la revisión inicial "Thoroughbred A" alcanzaran una frecuencia de reloj lo suficientemente alta como para superar las ventajas de Northwood en el rango de 2,4 a 2,8 GHz. ^{[ 22 ]}           

El  procesador Pentium 4 de 3,06 GHz incorporó la tecnología Hyper-Threading , que se implementó por primera vez en los procesadores Xeon basados ​​en Foster. Esto dio inicio al concepto de procesadores virtuales (o núcleos virtuales) en la arquitectura x86, al permitir la ejecución simultánea de múltiples hilos en el mismo procesador físico. Al reorganizar dos instrucciones de programa (idealmente diferentes) para que se ejecuten simultáneamente en un único núcleo físico del procesador, se busca optimizar el uso de los recursos del procesador que, con el enfoque tradicional, permanecerían sin utilizar, haciendo que estas instrucciones individuales esperen a que la otra se ejecute por separado en el núcleo. Este  procesador inicial Pentium 4 de 3,06 GHz y 533 FSB con Hyper-Threading se conocía como Pentium 4 HT y fue lanzado al mercado masivo por Gateway en noviembre de 2002.

El 14 de abril de 2003, Intel lanzó oficialmente el nuevo procesador Pentium 4 HT. Este procesador utilizaba un  FSB de 800 MT/s (  reloj físico de 200 MHz), tenía una frecuencia de 3  GHz y contaba con tecnología Hyper-Threading. ^{[ 23 ]} Esto tenía como objetivo ayudar al Pentium 4 a competir mejor con la línea de procesadores Opteron de AMD . Mientras tanto, con el lanzamiento del Athlon XP 3200+ en la línea de computadoras de escritorio de AMD, AMD aumentó la velocidad del FSB del Athlon XP de 333  MT/s a 400  MT/s, pero no fue suficiente para frenar al nuevo  Pentium 4 HT de 3 GHz. ^{[ 24 ]}

El aumento del Pentium 4 HT a un  bus de cuatro bombas de 200 MHz (200  x 4 = 800  MHz efectivos) ayudó enormemente a satisfacer los requisitos de ancho de banda que la arquitectura NetBurst deseaba para alcanzar un rendimiento óptimo. Si bien la arquitectura Athlon XP dependía menos del ancho de banda, las cifras de ancho de banda alcanzadas por Intel estaban muy por encima del rango del bus EV6 del Athlon. Hipotéticamente, EV6 podría haber alcanzado las mismas cifras de ancho de banda, pero solo a velocidades inalcanzables en ese momento. El mayor ancho de banda de Intel resultó útil en las pruebas de rendimiento para operaciones de transmisión , y el departamento de marketing de Intel capitalizó sabiamente esto como una mejora tangible con respecto a los procesadores de escritorio de AMD . Las variantes Northwood de 2,4 GHz, 2,6 GHz y 2,8 GHz se lanzaron el 21 de mayo de 2003. Una variante de 3,2 GHz se lanzó el 23 de junio de 2003 y la versión final de 3,4 GHz llegó el 2 de febrero de 2004.     

El overclocking de los primeros núcleos Northwood produjo un fenómeno sorprendente. Si bien un voltaje del núcleo cercano a 1,7 V o superior a menudo permitía ganancias adicionales sustanciales en el margen de overclocking, el procesador se volvía gradualmente (a lo largo de varios meses o incluso semanas) más inestable con el tiempo, con una degradación en la velocidad de reloj estable máxima antes de fallar y quedar totalmente inutilizable. Esto se conoció como el Síndrome de Muerte Súbita de Northwood (SNDS, por sus siglas en inglés), causado por la electromigración . ^{[ 25 ]}

En septiembre de 2003, en el Intel Developer Forum, se anunció el Pentium 4 Extreme Edition (P4EE), poco más de una semana antes del lanzamiento de Athlon 64 y Athlon 64 FX . Su diseño era prácticamente idéntico al del Pentium 4 (en la medida en que funcionaría en las mismas placas base), pero se diferenciaba por la adición de 2  MB de caché de nivel 3. Compartía el mismo núcleo Gallatin que el Xeon MP, aunque con un formato Socket 478 (en lugar del Socket 603 del Xeon MP) y con un  bus de 800 MT/s, el doble de rápido que el del Xeon MP.

Aunque Intel sostenía que la Extreme Edition estaba dirigida a los jugadores, los críticos la consideraron un intento de robarle protagonismo al lanzamiento del Athlon 64, apodándola la "Edición de Emergencia". ^{[ 28 ]} Con un precio de 1000 dólares, también se la denominó "Edición Cara" y "Extremadamente Cara". ^{[ 29 ]}

La caché adicional generalmente se tradujo en un notable aumento del rendimiento en la mayoría de las aplicaciones que exigían mucho del procesador. La codificación multimedia y ciertos juegos fueron los que más se beneficiaron, con la Extreme Edition superando al Pentium 4 e incluso a las dos variantes del Athlon 64, aunque el menor precio y el rendimiento más equilibrado del Athlon 64 (en particular la versión sin FX) hicieron que generalmente se considerara la mejor opción en términos de relación calidad-precio. No obstante, la Extreme Edition logró el objetivo aparente de Intel: impedir que AMD se convirtiera en el líder del rendimiento con el nuevo Athlon 64, que estaba ganando todas las pruebas de referencia importantes frente a los Pentium 4 existentes.

En enero de 2004,  se lanzó una versión de 3,4 GHz para Socket 478, y en el verano de 2004 se lanzó la CPU utilizando el nuevo Socket 775 ( LGA 775 ). Se logró un ligero aumento de rendimiento a finales de 2004 al aumentar la velocidad del bus de 800  MT/s a 1066  MT/s, lo que dio como resultado un Pentium 4 Extreme Edition de 3,46  GHz. Según la mayoría de las métricas, este fue, en términos de ciclo de reloj, el procesador NetBurst de un solo núcleo más rápido jamás producido, incluso superando a muchos de sus chips sucesores (sin contar el Pentium D de doble núcleo). Posteriormente, el Pentium 4 Extreme Edition se migró al núcleo Prescott. El nuevo  Extreme Edition de 3,73 GHz tenía las mismas características que un Prescott 2M de secuencia 6x0, pero con un  bus de 1066 MT/s. En la práctica, sin embargo, el Pentium 4 Extreme Edition de 3,73  GHz casi siempre resultó ser más lento que el  Pentium 4 Extreme Edition de 3,46 GHz, lo que probablemente se deba a la falta de una caché L3 y a la mayor longitud de la tubería de instrucciones. La única ventaja que  tenía el Pentium 4 Extreme Edition de 3,73 GHz sobre el  Pentium 4 Extreme Edition de 3,46 GHz era la capacidad de ejecutar aplicaciones de 64 bits, ya que todos los procesadores Pentium 4 Extreme Edition basados ​​en Gallatin carecían del conjunto de instrucciones Intel 64 (entonces conocido como EM64T).

Aunque nunca fue un éxito de ventas, especialmente porque se lanzó en una época en la que AMD dominaba casi por completo el mercado de procesadores, el Pentium 4 Extreme Edition estableció una nueva posición dentro de la línea de productos de Intel: la de un chip orientado a entusiastas con las especificaciones más altas que ofrecían los chips de Intel, además de multiplicadores desbloqueados para facilitar el overclocking. En este rol, fue sucedido posteriormente por el Pentium Extreme Edition (la versión Extreme del Pentium D de doble núcleo ), el Core 2 Extreme , el Core i7 y el Core i9 .

Contrariamente a la creencia popular, las versiones Socket 478 de las CPU Pentium 4 Extreme Edition, como la Pentium 4 Extreme Edition basada en Gallatin para Socket 478, tienen el multiplicador bloqueado, lo que significa que no se pueden overclockear a menos que se aumente la velocidad del bus frontal (lo que conlleva el riesgo de comportamientos erráticos, como problemas de fiabilidad y estabilidad). Solo las versiones Socket 775/LGA 775 de la Pentium 4 Extreme Edition, así como las CPU Pentium Extreme Edition (Smithfield) y las de muestra de ingeniería, tienen el multiplicador desbloqueado.

El 1 de febrero de 2004, Intel presentó un nuevo núcleo con nombre en clave Prescott. Este núcleo utilizaba por primera vez el proceso de 90 nm , que un analista describió como "una importante revisión de la microarquitectura del Pentium 4". ^{[ 30 ]} A pesar de esta renovación, las mejoras de rendimiento fueron inconsistentes. Algunos programas se beneficiaron de la caché duplicada y las instrucciones SSE3 de Prescott, mientras que otros se vieron perjudicados por su pipeline más largo. La microarquitectura de Prescott permitía velocidades de reloj ligeramente superiores, pero no tan altas como Intel había previsto. Los Pentium 4 basados ​​en Prescott más rápidos producidos en masa alcanzaban los 3,8  GHz. Mientras que Northwood finalmente logró velocidades de reloj un 70 % superiores a las de Willamette, Prescott solo escaló un 12 % más allá de Northwood. La incapacidad de Prescott para lograr mayores velocidades de reloj se atribuyó al muy alto consumo de energía y la emisión de calor del procesador. Esto llevó a que el procesador recibiera el apodo de "PresHot" en los foros. ^{[ 31 ]} De hecho, las características de potencia y calor de Prescott eran solo ligeramente superiores a las de Northwood de la misma velocidad y casi iguales a las Extreme Editions basadas en Gallatin, pero dado que esos procesadores ya habían estado operando cerca de los límites de lo que se consideraba térmicamente aceptable, esto seguía planteando un problema importante. ^{[ 32 ]}

El lanzamiento de Prescott coincidió con el de LGA 775 y el formato BTX , que también fueron objeto de críticas. Las pruebas demostraron que un Pentium 4 para LGA 775 consumía más energía y generaba más calor que el mismo chip en un socket 478. El formato BTX, por su parte, parecía haber sido diseñado exclusivamente para gestionar la disipación de calor de Prescott, a expensas de otros componentes y aspectos importantes, como la dirección directa del aire caliente de la CPU hacia el disipador/ventilador de la tarjeta gráfica. Esto acentuó la percepción de Prescott como un chip excesivamente caliente.

El Prescott Pentium 4 contiene 125 millones de transistores y tiene un área de chip de 112 ^mm²  . [ ^{33 ] [ 34 ] Fue} fabricado en un proceso de 90 nm con siete niveles de interconexión de cobre . ^{[ 34 ]} El proceso tiene características tales como transistores de silicio tensionado y dieléctrico de óxido de silicio dopado con carbono (CDO) de baja κ , que también es conocido como vidrio de organosilicato (OSG). ^{[ 34 ]} El Prescott fue fabricado primero en la fábrica de desarrollo D1C y luego fue trasladado a la fábrica de producción F11X. ^{[ 34 ]} 

Originalmente, Intel lanzó dos líneas Prescott en Socket 478: la serie E, con un  FSB de 800 MT/s y soporte para Hyper-Threading  , y la serie A de gama baja, con un FSB de 533 MT/s y Hyper-Threading deshabilitado. Las CPU Prescott LGA 775 utilizan un sistema de clasificación, etiquetándolas como la serie 5xx (los Celeron D son la serie 3xx, mientras que los Pentium M son la serie 7xx). La versión LGA 775 de la serie E utiliza los números de modelo 5x0 (520–560), y la versión LGA 775 de la serie A utiliza los números de modelo 5x5 y 5x9 (505–519). Los más rápidos, el 570J y el 571, tienen una frecuencia de reloj de 3,8  GHz.  Intel canceló sus planes para producir en masa un Pentium 4 de 4 GHz y optó por procesadores de doble núcleo, aunque algunos minoristas europeos afirmaron vender un Pentium 4 580 con una frecuencia de 4  GHz. La serie E Prescott, así como los modelos de gama baja 517 y 524, incorporan Hyper-Threading para acelerar algunos procesos que utilizan software multihilo, como la edición de vídeo.

La microarquitectura Prescott fue diseñada para admitir Intel 64, la implementación de Intel de las extensiones de 64 bits x86-64 desarrolladas por AMD para la arquitectura x86, pero los modelos iniciales se enviaron con su capacidad de 64 bits deshabilitada. Intel declaró que no tenía intención de lanzar CPU de 64 bits en canales minoristas, sino que lanzó la serie F con capacidad de 64 bits solo para fabricantes de equipos originales (OEM). ^{[ 35 ]} Sin embargo, posteriormente se pusieron a disposición del público general como la serie 5x1. También se lanzaron varios Prescott de gama baja con Intel 64 habilitado, con  una velocidad FSB de 533 MHz.

La revisión E0 de la serie Prescott introdujo la función de bit XD . ^{[ 36 ]} Esta tecnología, introducida en la arquitectura x86 por AMD como NX (No eXecute) , puede ayudar a evitar que ciertos tipos de código malicioso exploten un desbordamiento de búfer para ejecutarse. Los modelos que admiten el bit XD incluyen las series 5x0J y 5x1, así como las series de gama baja 5x5J y 5x6.

Los procesadores Prescott son los primeros en ser compatibles con SSE3 , junto con todos los procesadores Pentium D.

La revisión final del Pentium 4 fue Cedar Mill , lanzada el 5 de enero de 2006. Esta fue una reducción del tamaño del núcleo de la serie 600 basado en Prescott a 65 nm , sin adiciones de características reales pero con un consumo de energía significativamente reducido. El Cedar Mill está estrechamente vinculado a la revisión Pentium D Presler , ya que cada CPU Presler consta de dos núcleos Cedar Mill en el mismo paquete de chip. ^{[ 43 ]} Cedar Mill tenía una menor emisión de calor que Prescott, con un TDP de 86  W. El paso D0 a finales de 2006 redujo esto a 65 vatios. Tiene un  núcleo de 65 nm y cuenta con la misma tubería de 31 etapas que Prescott,  FSB de 800 MT/s, Intel 64 , Hyper-Threading , pero no tecnología de virtualización . Al igual que Prescott 2M, Cedar Mill también tiene una caché  L2 de 2 MB . 

Intel anunció inicialmente cuatro procesadores Cedar Mill con VT-x habilitado, con los números de modelo 633 a 663, ^{[ 44 ]} pero estos fueron posteriormente cancelados y reemplazados por los modelos 631 a 661 sin VT-x. El número 1 adicional añadido al número de modelo los distinguía de los  núcleos Prescott de 90 nm que operaban a las mismas frecuencias. ^{[ 45 ]} Los procesadores Cedar Mill tenían frecuencias que oscilaban entre 3,0 y 3,6  GHz, inferiores al  máximo de 3,8 GHz de los 670 y 672 basados ​​en Prescott. Los entusiastas del overclocking lograron superar los 8  GHz con estos procesadores utilizando refrigeración por nitrógeno líquido. ^{[ 46 ]}

El nombre "Cedar Mill" hace referencia a Cedar Mill, Oregón , una comunidad no incorporada cerca de las instalaciones de Intel en Hillsboro, Oregón .