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Intel Pentium 4 Willamette

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Écrit par Pascal Thevenier   
Mardi, 01 Mai 2001 12:46
Depuis très longtemps, l’architecture Intel repose sur le système P6. Ce bus vieillissant montre franchement ses limites à partir du 1GHz. Il est donc temps de faire place nette ! Avec le Pentium 4, Intel introduit une toute nouvelle architecture qui fait table rase du passé. La nouvelle génération de processeurs Intel arrive avec son lot de nouvelles fonctions comme le SSE2, le Netburst, bus Quadpumped, etc.


Par : Pascal [TTH] Thevenier
Date : le 24 avril 2001
Copyright tt-hardware.com 2000, tous droits réservés


La fin du Pentium !!!

Le problème que rencontre actuellement Intel est lié à la montée en fréquence de ses processeurs. En effet, depuis le retrait du modèle à 1,13GHz, les Pentium !!! plafonnent à 1GHz. Pour continuer la course, il faudrait réduire une nouvelle fois la technologie de gravure mais il semble que le core actuel montre cruellement ses limites. De plus, Intel ne peut attendre que le procédé de gravure .13µ devient rentable sans sortir de nouveaux processeurs…
Comme si tout ceci ne suffisait pas, la conception des Pentium !!! qui repose toujours sur l’architecture P6 introduite par le Pentium Pro en 1995 montre ses limites.
Le bilan est sombre ! Intel doit faire évoluer ses processeurs de manière radicale : il faut purement et simplement une nouvelle architecture pour rester dans la course.


Un nouveau format

Le Pentium 4 offre un aspect extérieur comparable à celui d’un Pentium !!! de grande taille dont le core aurait été agrandi. En effet, le dernier processeur Intel utilise toujours un interfacer (partie verte) sur lequel se trouvent d’une part le core et d’autre part les 423 pins. Le core se trouve dans un packaging de type OLGA (Organic Land Grid Arry). Cependant, le core du Pentium 4 n’est pas " directement visible " comme sur le Pentium !!!. La partie argentée est un Intergrated Heat Spreader. Son rôle est de conduire la chaleur dégagée par les 42 millions de transistors de manière uniforme vers le combiné dissipateur ventilateur qui coiffe le processeur.
Etant donné que les Pentiun !!! et 4 utilisent la même technologie de gravure, il n’est pas étonnant que la dissipation thermique soit un problème majeur. En effet, à 1,5GHz, un Pentium 4 ne dégage pas moins de 55 watts. Sachant que la température est directement proportionnelle à la fréquence pour un core identique, il est possible d’extrapoler la dissipation d’un Pentium !!! à 1,5GHz : 39 watts. Cette différence explique pourquoi Intel équipe le Pentium 4 d’un combiné dissipateur – ventilateur d’une taille peu commune…


Les nouveautés du Pentium 4

L’architecture actuelle d’Intel est saturée : la montée en fréquence des Pentium !!! ne donne plus le gain de performances attendu. De plus, AMD est déjà passé sur un nouveau bus et les processeurs Intel se trouvent à la traîne… Le Pentium 4 introduit l’architecture NetBurst qui regroupe différentes innovations.
NetBurst :
  • Hyper Pipelined Technology
  • Execution Trace Cache
  • Advanced Dynamic Execution
  • Advanced Transfer Cache
  • Rapid Execution Engine
  • Enhanced FPU
  • SSE2.
  • Bus système à 400MHz


    Hyper Pipelined Technology

    Actuellement, le Pentium !!! utilise 10 niveaux de pipeline. En pratique, cela se traduit de la manière suivante : 10 petites unités traitent le code à chaque cycle. En d’autres mots, chaque unité fait un dixième du travail. Avec 20 niveaux de pipeline chaque unité fait 1/20 du travail. Le principal avantage est que pour une instruction donnée, 20 unités réaliseront une tâche moins complexe. Chaque unité est donc moins complexe et peut fonctionner plus vite.
    Il suffit d’imaginer la chose suivante : l’instruction complète est " Le Pentium 4 va vite ". Dans cet exemple simple, avec 10 niveaux de pipeline, il faut traiter les lettres deux par deux. Chaque unité fait donc un travail plus complexe que dans le cas d’un pipeline à 20 niveaux où chaque unité traite une seule lettre.

    Le Pentium 4 va vite

  • 10 niveaux de pipeline
    Le| P|en|ti|um| 4| v|a |vi|te|

  • 20 niveaux de pipeline
    L|e| |P|e|n|t|i|u|m| |4| |v|a| |v|i|t|e|


    L’inconvénient majeur d’un niveau de pipeline élevé est l’erreur de prédiction. En effet, tant qu’il s’agit d’exécuter du code linéaire, sans test conditionnel, les 20 niveaux de pipeline sont un avantage important. Les programmes comportent des tests conditionnels. En fonction du résultat, il faudra exécuter telle ou telle autre partie du code. En cas d’erreur, il faut faire marche arrière et recommencer le traitement. Cependant, plus le pipeline est long et donc rapide, plus une marche arrière engendre de données perdues. Tout ceci revient un peu à comparer l’arrivée à un carrefour d’une voiture roulant à 200Km/h et une autre roulant à 100Km/h. Il faudra plus longtemps à la première pour faire marche arrière, revenir au carrefour et repartir dans la bonne direction ! Pour palier à ce type d’erreur qui fait perdre beaucoup de temps, les processeurs utilisent une unité de prédiction de branchement qui permet de retenir les résultats déjà obtenus et d’estimer le plus probable. Dans le cas du Pentium 4, le taux de réussite est de 93% contre 90% pour le Pentium !!!.



    Execution Trace Cache

    En plus des 8ko de cache L1 réservée aux données comme dans le Pentium !!!, le Pentium 4 dispose d’une capacité de 12.000 micro-opérations dans le Trace Cache. Cette mémoire stocke les dernières micro-instructions décodées. Elle permet d’éviter un second décodage en cas d’erreur et d’augmenter la vitesse si le code revient à nouveau comme tel est le cas dans une " boucle conditionnelle ". Le but du trace cache est d’éviter que les pipelines ne se retrouvent sans instruction à exécuter.


    Advanced Dynamic Execution

    L’Advanced Dynamic Execution permet de traiter des informations suivant une technologie dite " out of order ". Le Pentium 4 peut examiner à la volée 126 instructions, en manipuler 48 et en stocker 24 dans le pipeline. Toutes ces opérations ont pour but de prévoir la suite d’un programme afin d’éviter les erreurs de branchement qui laissent les pipelines sans données à traiter.


    Advanced Transfer Cache

    Tout comme le Pentium !!!, le Pentium 4 utilise 256Ko de cache L2 associé à la technologie ATC. Ce bus permet de transférer des données entre le core et le cache via une interface de 256bits à chaque cycle d’horloge. Le Pentium 4 1,5GHz peut transférer 48Go/s contre 24Go/s pour le Pentium !!! à 1,5GHz. Le gain provient du fait que le Pentium 4 transfère des données à chaque cycle. A titre de comparaison, un Thunderbird à 1,5GHz offrait une bande passante de " seulement " 6Go/s à cause de son bus en 64bits. Le Pentium 4 offre ainsi la plus grande bande passante possible entre le core et le cache L2.


    Rapid Execution Engine

    Comme tous les processeurs, le Pentium 4 est constitué d’une ALU et d’une FPU. L’ALU se charge du traitement des nombres entiers mais aussi de toutes les fonctions simples comme AND, OR, NOT, etc. De son côté, la FPU (Floating Point Unit) réalise les calculs dits " en virgule flottante " utilisés dans le calcul de fonctions 3D par exemple. Dans le cas du Pentium 4, l’ALU (Arithmetic Logic Unit) offre une caractéristique intéressante : elle fonctionne à une vitesse deux fois plus élevée que le processeur. Ainsi, l’ALU du modèle à 1,5GHz fonctionne à une fréquence de 3GHz.


    Enhanced Floating-point

    La FPU du Pentium 4 a été améliorée. Les registres ont été étendus à 128bits et de nouveaux sont apparus notamment pour le transfert de données.


    SSE2

    De nos jours, chaque nouveau processeur arrive avec son jeu d’instructions censé révolutionner le monde. Pourtant depuis les 57 instructions MMX introduites par les premiers Pentium, les gains sont loin d’être transcendants. Avec le Pentium !!!, Intel ajoute 70 instructions SSE au Pentium II et continue sa montée en fréquence. Ces instructions sont du type SIMD (Single Instruction Multiple Data) comme le MMX ou le 3D now !. Il s’agit d’appliquer la même instruction à un grand nombre de données en même temps. Au lieu de faire x1 + y1, puis x2 + y2, … x4 + y4, tout est réalisé en une seule opération grâce au SSE.
    SSE2 apporte 144 nouvelles instructions en tous genres. Certaines sont orientées vers la gestion mémoire, d’autres vers la 3D ou encore la Vidéo. De plus SSE2 permet de traiter des entiers en 128bits et 2 flottants en double précision à chaque cycle.
    Une fois de plus, inutile d’attendre monts et merveilles du SSE2. Il faudra encore et toujours attendre que les logiciels soient optimisés…


    Bus système à 400MHz

    Le Pentium 4 introduit un nouveau type de bus pour communiquer avec le chipset. Il utilise une technologie appelée QuadPumped. Elle permet de multiplier par quatre le nombre de données qui transitent sur un bus à 100MHz.


    L’i850 au centre

    Le chipset i850 se charge d’orchestrer les systèmes actuellement basés sur le Pentium 4. Ce dernier se compose de deux hubs reliés ensemble par une interface à 266Mo/s très probablement identique à celle introduite par la série de chipsets i820. En effet, Intel communique très peu sur le type de lien qui relie les deux hubs. Mais le fait que l’i850 utilise le même southbridge (ICH2 82801BA) confirme cette hypothèse. L’i850 prend donc en charge les disques durs ATA100, 4 ports USB et la norme AC’97.
    Au niveau du northbridge, les choses sont totalement différentes puisque le Pentium 4 utilise un bus à 100MHz en Quadpumped, ce qui correspond à un bus " standard " à 400MHz. Ce bus est utilisé exclusivement entre le processeur et le northbridge. La mémoire prise en charge par l’i850 est la RDRAM sans autre alternative. Le chipset gère deux canaux qui lui permettent d’obtenir un taux de transfert de 3,2Go/s avec des modèles RDR à 400MHz. Cette bande passante est bien supérieure à celle du Pentium !!! qui plafonne à 1Go/s et même à celle des derniers Athlon qui offrent pourtant plus de 2Go/s. La dernière branche de l’ICH i80850 est le port AGP. Il est pris en charge en mode 2x et 4x. Il supporte aussi la fonction Fast Writte. Si ce n’est le support du Pentium 4, l’i850 n’apporte aucune nouvelle fonction. Intel a cependant introduit un nouveau type de packaging dans ses chipsets puisque l’ICH utilise le format OLGA (Organic Land Grid Array).


    Le système de tests

    Nous avons testé un Pentium 4 à 1,4GHz installé sur une carte mère Intel D850GB. Au niveau des sous-systèmes, la machine dispose de ce qui se fait de mieux : 256Mo RDR à 800MHz, une GeForce 2 GTS 64Mo et un disque dur IBM DTLA de 45Go. Nous avons réalisé les mesures sous Windows 98SE après avoir installé l’inf update pour l’i850 ainsi que les drivers Detonator 6.50 et DirectX 8. Face à ce système high tech, nous avons aligné un Athlon à 1GHz et un Pentium !!! à 1GHz équipés des mêmes composants exceptée la mémoire constituée de 128Mo de SDRAM PC133.
    Au niveau des logiciels de tests, nous avons utilisé nos outils classiques. En effet, il ne semble pas utile de modifier la procédure d’essais sous prétexte qu’un système utilisera au mieux les technologies de demain. Les essais d’aujourd’hui se font avec les logiciels réels et utilisés.
    Cependant, il est probable que l’arrivée de Windows XP et office XP change quelque peu la donne. Nous réaliserons d’autres essais en septembre avec le Pentium 4 Northwood et ces futurs logiciels…


    Puissance processeur

    Que pouvons-nous constater de plus si ce n’est que le Pentium 4 se révèle peu adapté aux logiciels actuels ?En effet, si ce n’est lors de la mesure du débit mémoire largement supérieur aux Pentium !!! et Athlon à 1GHz, le Pentium 4 se place bon dernier. Pourtant, en utilisation pratique, le Pentium 4 donne clairement l’impression d’avoir du potentiel : Certaines tâches sont accomplies à une vitesse peu commune. La décompression de fichiers est par exemple très rapide. Hélas, par manque de temps lors de la mise à disposition de la machine nous n’avons pas réalisé tous les essais que nous souhaitions…

    Tests en 2D

    Ces derniers viennent appuyer les mesures des performances pures du processeur. Ici aussi, le Pentium 4 n’atteint pas le niveau de ses concurrents pourtant moins rapides en terme de fréquence.

    Performances des disques durs

    L’i850 hérite du même contrôleur que l’i815. Les disques actuels étant déjà au maximum de leur potentiel avec des processeurs à moins de 1GHz, les scores obtenus sont identiques et imposés par le disque dur lui-même. TestLAB2000 donne le même temps d’accès (8ms) et le même taux de transfert moyen (19Mo/s) pour les trois systèmes.


    Notes globales

    Le Pentium 4 serait-il enfin à l’aise dans un domaine ? Non, pas vraiment. Les scores sont effectivement très bons mais il ne faut pas oublier que le Pentium 4 dispose de 256Mo RDR contre 128Mo SDR pour les deux autres systèmes. De plus le Pentium 4 travaille à une fréquence 40% plus élevée que les deux autres processeurs…

    Jeux 3D

    Malgré l’utilisation de DirectX 8, le Pentium 4 offre de faibles scores en regard de sa fréquence. Les chiffres sont certes élevés mais ils correspondent à seulement 35% de plus dans Quake III en mode normal (différence de fréquence). En mode HQ++, le Pentium 4 prend un léger avantage.

    Avec Mercedes Truck Racing, le Pentium 4 prend un avantage de plus de 112% en faible résolution où la carte graphique ne limite pas les performances. Ce test prouve enfin, que dans certains cas, le Pentium 4 présente un avantage…

    Dans Expendable, plus vieux, mais fortement tributaire de la bande passante mémoire, le Pentium 4 ne se montre pas plus rapide que ses opposants.

    Des performances bien modestes…

    A l’issue de tous nos tests, le Pentium 4 reste bien terne. Malgré une débauche de technologies intéressantes et une fréquence plus élevée que les deux systèmes concurrents, le Pentium 4 arrive souvent dernier. Intel aurait-il échoué dans sa nouvelle architecture ? Pas le moins du monde ! Il faut garder à l’esprit que l’architecture P6 ne permet plus de monter en fréquences et qu’il ne sert à rien de vouloir aller plus loin sur ces anciennes bases. Toute nouvelle technologie matérielle est forcément peu adaptée aux applications actuelles. En effet, le but d’une nouvelle technologie vise un meilleur potentiel d’évolution dans le temps. Il faudra donc attendre que de nouvelles versions des OS et logiciels arrivent sur le marché. Il est important de noter que la sortie de Windows XP coïncide étroitement avec l’arrivée sur le marché des processeurs Pentium 4 Northwood. Il y a fort à parier que les futurs benchs basés sur Office XP et Windows XP donneront le Pentium 4 largement en tête face aux Pentium !!! et Athlon. Ce n’est pas pour rien que certains parlent du couple Wintel !
    A titre anecdotique, les premiers benchs réalisés sur les Pentium II 233MHz présentaient des scores plus faibles que ceux des Pentium 233MHz MMX… Dans l’état actuel des choses le Pentium 4 n’est pas sans rappeler les premiers Pentium II qui ne bénéficiaient ni de la mémoire SDRAM, ni de l’AGP, ni même des disques DMA !


    Et demain ?

    Il ne restera rien du Pentium 4 de type Willamette. En fait, ce processeur peut réellement être considéré comme un élément de transition destiné à montrer qu’Intel peut rester dans la course aux MHz. Le Pentium 4 prendra tout son sens lorsque les modifications suivantes seront effectives :
  • La gravure en .13µ permettra au Pentium de chauffer moins et donc de se passer d’un système de refroidissement surdimensionné.
  • Le passage au Socket 468 donnera une plus grande espérance de vie à un système Pentium 4.
  • L’arrivée d’un chipset supportant la mémoire DDR devrait largement favoriser la popularité et les performances du système.
    En d’autres mots, le Pentium 4 Willamette est mort-né. En septembre, la sortie du Pentium 4 Northwood permettra une fois de plus de crier : " Le Roy est mort, vive le Roy ! ". A cette époque, sous réserve qu’il soit accompagné d’un bon chipset, le Pentium 4 se présentera comme un système plus abouti. En attendant, le Willamette souffre de ses défauts de précurseur…


    Conclusion

    Le Pentium 4 introduit des fonctions novatrices indispensables à l’évolution de l’architecture Intel. Toutefois, ces améliorations ont encore peu d’intérêt aujourd’hui. En effet, les Pentium !!! et Athlon se montrent souvent plus rapides que les Pentium 4. De plus, l’évolutivité, le seul avantage qui pouvait jouer en faveur du dernier processeur Intel n’est pas au rendez-vous étant donné que le Pentium 4 Northwood remplacera l’actuel Wilamette en septembre. Nous vous donnons rendez-vous en septembre pour un nouvel essai du Pentium 4 dans sa version plus aboutie appelée Northwood. Wait & see !

    Note: 7/10

    Pour :
    Nouvelle architecture
    Possibilité de monter en fréquence

    Contre :
    Performances
    Socker 423
  • Mise à jour le Mardi, 10 Novembre 2009 20:23