NetBurst

NetBurst — это микроархитектура центральных процессоров (ЦП), разработанная компанией Intel и использовавшаяся в процессорах для настольных и серверных систем с 2000 по 2008 год. Она пришла на смену архитектуре P6, лежавшей в основе процессоров Pentium Pro, Pentium II и Pentium III, и была ориентирована на достижение максимально высоких тактовых частот, что отразилось в её названии (от англ. «burst» — всплеск, импульс). Архитектура NetBurst стала основой для процессоров Pentium 4, Pentium D, а также серверных Xeon и некоторых моделей Celeron.

История

Предпосылки и разработка

К концу 1990-х годов архитектура P6, несмотря на свою эффективность, начала сталкиваться с ограничениями по наращиванию тактовой частоты. Intel, стремясь сохранить лидерство в гонке мегагерц, решила кардинально пересмотреть подход к проектированию. Разработка NetBurst велась под руководством главного архитектора Гленна Хинтона (Glenn Hinton) и была завершена к 2000 году. Первым процессором на новой архитектуре стал Pentium 4 (ядро Willamette), выпущенный 20 ноября 2000 года.

Первое поколение: Willamette (2000—2001)

Первые процессоры Pentium 4 изготавливались по 180-нм техпроцессу, имели частоту от 1,3 до 2,0 ГГц и кэш-память второго уровня объёмом 256 КБ. Они использовали новый разъём Socket 423 и системную шину (FSB) с частотой 400 МГц. Производительность этих процессоров в большинстве приложений была невысокой, а тепловыделение — значительным.

Второе поколение: Northwood (2002—2004)

В январе 2002 года Intel представила ядро Northwood, изготовленное по 130-нм техпроцессу. Объём кэша L2 был увеличен до 512 КБ, а частота шины — до 533 МГц (позже — до 800 МГц). Процессоры Northwood достигли тактовых частот до 3,4 ГГц и продемонстрировали существенно лучшую производительность по сравнению с Willamette. Именно на этом этапе архитектура NetBurst получила широкое признание, хотя и продолжала уступать конкурирующим решениям AMD (Athlon XP, а затем Athlon 64) в ряде задач.

Третье поколение: Prescott (2004—2005)

В феврале 2004 года Intel выпустила ядро Prescott, которое стало самым значительным и противоречивым этапом развития NetBurst. Оно изготавливалось по 90-нм техпроцессу и отличалось рядом нововведений:

• Увеличенный до 1 МБ (позже — до 2 МБ) кэш L2.
• Внедрение технологии Hyper-Threading (HT) — эмуляция двух логических ядер на одном физическом.
• Поддержка 64-битных расширений EM64T (в поздних ревизиях).
• Удлинённый конвейер (до 31 стадии), что позволило достичь частот выше 3,8 ГГц.

Однако Prescott столкнулся с серьёзными проблемами: чрезвычайно высокое тепловыделение (до 130 Вт и более), низкая производительность на мегагерц (IPC — инструкций за такт) и перегрев. Это привело к тому, что процессоры Prescott часто работали на пределе температурных возможностей, а их реальная производительность во многих задачах была ниже, чем у предшественников Northwood на той же частоте.

Четвёртое поколение: Cedar Mill и двуядерные процессоры (2006—2008)

Последним одноядерным ядром NetBurst стало Cedar Mill (65-нм техпроцесс), выпущенное в 2006 году. Оно имело упрощённую конструкцию и сниженное тепловыделение, но уже не могло конкурировать с новыми процессорами AMD Athlon 64 X2 и Intel Core 2 Duo. В 2005—2006 годах Intel также выпустила двуядерные процессоры Pentium D на ядрах Smithfield (90 нм) и Presler (65 нм), которые представляли собой два кристалла NetBurst в одном корпусе. Они страдали от тех же проблем, что и Prescott — высокого энергопотребления и низкой производительности на ядро.

Завершение

В 2006 году Intel представила архитектуру Core (на основе улучшенной версии P6), которая легла в основу процессоров Core 2 Duo и Core 2 Quad. Она оказалась значительно эффективнее NetBurst, обеспечивая более высокую производительность при гораздо меньшем энергопотреблении. Последние процессоры на архитектуре NetBurst (Pentium 4 6×1, Celeron 4×0) были сняты с производства в 2008 году. Архитектура была признана тупиковой ветвью развития, и Intel вернулась к коротким конвейерам и высокой эффективности на такт.

Архитектурные особенности

Длинный конвейер

Главной особенностью NetBurst был гиперконвейер (Hyper Pipelined Technology). В ядре Willamette конвейер имел 20 стадий, в Northwood — 20, а в Prescott — 31 стадию. Длинный конвейер позволял наращивать тактовую частоту, так как каждая стадия выполняла меньше работы. Однако это приводило к серьёзным потерям производительности при неверных предсказаниях переходов (branch mispredictions), когда конвейер приходилось сбрасывать и заполнять заново. Это делало архитектуру чувствительной к хаотичным и плохо предсказуемым потокам инструкций.

Hyper-Threading (HT)

Технология Hyper-Threading, впервые реализованная в серверных Xeon (2002) и затем в настольных Prescott (2004), позволяла одному физическому ядру обрабатывать два потока инструкций одновременно. Операционная система видела одно физическое ядро как два логических. Это повышало загрузку конвейера и улучшало производительность в многозадачных средах, но не давало удвоения производительности.

Кэш-память

Архитектура NetBurst использовала два уровня кэша:

• L1: раздельный кэш данных (8 КБ) и кэш инструкций (12 000 µops — микроопераций). Небольшой размер кэша данных был обусловлен длинным конвейером и стремлением минимизировать задержки.
• L2: унифицированный кэш большого объёма (от 256 КБ в Willamette до 2 МБ в Prescott). Он работал на полной частоте ядра и имел высокую пропускную способность.

Шина и память

Процессоры NetBurst использовали системную шину Quad Pumped Bus (QPB), которая передавала данные четыре раза за такт. Эффективная частота шины составляла 400, 533, 800 или 1066 МГц. Для работы с памятью использовались контроллеры, встроенные в чипсет (северный мост). Начиная с платформы Socket 775, поддерживалась двухканальная память DDR и DDR2.

64-битные расширения

Поддержка 64-битных вычислений (EM64T, позже — Intel 64) была добавлена в процессоры Prescott и Cedar Mill, начиная с определённых ревизий. Это позволяло использовать более 4 ГБ оперативной памяти, но в 32-битных приложениях производительность не улучшалась.

Критика и проблемы

Высокое тепловыделение и энергопотребление

Процессоры на ядре Prescott (90 нм) имели тепловыделение (TDP) до 130 Вт и более, что требовало мощных систем охлаждения. В условиях высокой температуры и недостаточного охлаждения процессоры могли перегреваться и выходить из строя. Это стало одной из главных причин отказа от NetBurst.

Низкая производительность на такт (IPC)

Из-за длинного конвейера и большого количества стадий процессоры NetBurst выполняли меньше инструкций за такт, чем конкурирующие процессоры AMD (Athlon 64) и собственные процессоры Intel на архитектуре P6 (Pentium III) и Core. Это означало, что для достижения сопоставимой производительности требовалась значительно более высокая тактовая частота.

Проблемы с предсказанием переходов

Длинный конвейер делал архитектуру крайне чувствительной к ошибкам предсказания переходов. В современных программах с большим количеством условных операторов и ветвлений это приводило к частым сбросам конвейера и потере производительности.

Ограниченный масштабируемость

Несмотря на все усилия, Intel не удалось преодолеть частотный барьер в 4 ГГц на Prescott. Дальнейшее повышение частоты упиралось в физические ограничения (тепловыделение, утечки тока) и не давало пропорционального прироста производительности. Это стало одной из причин перехода к многоядерным архитектурам с короткими конвейерами.

Применение

Процессоры на архитектуре NetBurst использовались в:

• Настольные компьютеры: Pentium 4, Pentium D, Celeron (серии 300, 400, 500).
• Серверы и рабочие станции: Xeon (серии DP, MP).
• Ноутбуки: Pentium 4-M, Mobile Pentium 4, Mobile Celeron (ограниченно, из-за высокого энергопотребления).
• Встраиваемые системы: некоторые модели Pentium 4 и Celeron.

Влияние на индустрию

Архитектура NetBurst оказала значительное влияние на развитие компьютерной индустрии. Она продемонстрировала, что простое наращивание тактовой частоты не является эффективным путём повышения производительности. Опыт, полученный при разработке и эксплуатации NetBurst, был учтён при создании архитектуры Core, которая стала основой для современных процессоров Intel. Неудача NetBurst также способствовала росту популярности процессоров AMD в середине 2000-х годов.

См. также

• Pentium 4
• Pentium D
• Xeon
• Архитектура Core
• Hyper-Threading

Источники

• Intel Corporation. «Intel Pentium 4 Processor Data Sheet». 2000—2006.
• Hinton, G., et al. «The Microarchitecture of the Pentium 4 Processor». Intel Technology Journal, 2001.
• Shimpi, A. L. «Intel’s Prescott: A Detailed Look». AnandTech, 2004.
• Stokes, J. «The Pentium 4: An Architectural History». Ars Technica, 2004.
• Документация Intel по процессорам Pentium 4 и Xeon (архивные версии).