Intel Pentium 4 1.5 GHz Test

De pipeline vergroot

Op de eerste pagina heb ik al gezegd dat de Pentium 4 in eerste instantie wordt uitgebracht op de snelheden 1.4 en 1.5 GHz. Voor eind volgend jaar heeft Intel zelfs al een 2 GHz exemplaar in de planning staan! Deze klokfrequenties, die stukken hoger zijn dan bij de Pentium III, die op dit moment bij 1 GHz stopt, geven wel aan dat Intel grote veranderingen in de architectuur heeft aangebracht die dit mogelijk maken. Zeker als we bedenken dat de Pentium 4 in eerste instantie wordt gemaakt middels het 0.18 micron productieprocédé, het zelfde als bij de Pentium III. 

Dé truc die Intel heeft uitgehaald om de kloksnelheid te kunnen opvoeren, is het vergroten van de pipeline, ofwel in eigen woorden ‘hyper-pipelining’! Wie niet weet wat pipelining is, verwijs ik graag naar ons achtergrondartikel over pipelining. Kort samengevat: een taak wordt bij pipelining opgedeeld in meerdere sub-taken, die na elkaar uitgevoerd worden. Het mooie van dit systeem is dat als een instructie bij sub-taak twee is aangekomen, dat de volgende instructie aan sub-taak één kan beginnen. Bij pipelining is het de bedoeling dat iedere subtaak binnen één klokslag uitgevoerd wordt. 

Bij de Pentium III bestaat de pipeline om instructies te verwerken uit 10 fases. Bij de Pentium 4 is dit verdubbeld tot 20 fases: dezelfde taken worden nu dus opgedeeld in 20 kleinere sub-taken in plaats van 10 subtaken. Aangezien de nieuwe subtaken minder complex zijn als die van de Pentium III (er zijn er immers twee keer zoveel voor hetzelfde werk), kunnen de subtaken sneller uitgevoerd worden! Waar een instructie bij de Pentium III in minimaal 10 klokslagen verwerkt wordt, gebruikt deze instructie bij de Pentium 4 dus minimaal 20 klokslagen. (Hier staat wel tegenover dat bij de Pentium 4 aan twintig instructies tegelijkertijd gewerkt wordt en bij de Pentium III maar tien.) Aangezien de subtaken een stuk minder complex zijn, kan de klokfrequentie flink opgeschroefd worden: het uitvoeren van de subtaak binnen één klokslag vraagt immers heel wat minder moeite. Vandaar dat de Pentium 4 al bij het begin op 1.4 en 1.5 GHz werkt! En net als hier rolt iedere klokslag een nieuwe afgesloten instructie uit de pipeline: ofwel een flinke versnelling.

Intel zelf legt de vernieuwingen bij de Pentium 4 met een vliegveld-analogie uit. Bij de grotere pipeline kun je denken aan een menselijke keten bij het verplaatsen van koffers: als je een keten van 20 mensen maakt, kan er een stuk harder doorgewerkt worden dan bij een keten van 10 mensen! Onderstaande afbeeldingen illustreren dat:

Een menselijke ‘pipeline’ met 10 sub-taken

Een menselijke ‘pipeline’ met 20 sub-taken