Vida e morte do Pentium 4

Publicado em 08/12/2009 – 07:09
por Carlos Morimoto

O Pentium 4 foi lançado em novembro de 2000, trazendo uma arquitetura completamente redesenhada, desenvolvida com o objetivo de permitir que o processador fosse capaz de atingir frequências de clock elevadas e no uso de um cache L1 muito rápido e um barramento de dados capaz de realizar 4 transferências por ciclo para mantê-lo alimentado com o volume necessário de dados e instruções.

A nova arquitetura do Pentium 4 foi batizada de NetBurst, um nome mercadológico usado para tentar ilustrar a arquitetura do processador e suas otimizações com relação ao processamento de grandes volumes de dados. Sempre que ouvir falar em um processador "baseado na arquitetura NetBurst", tenha em mente que se trata de alguma derivação do Pentium 4, como um Pentium D ou Celeron.

A principal característica da arquitetura NetBurst era o uso de um longo pipeline de processamento, batizado pela Intel de "Hyper Pipelined Technology".

O Pentium III é baseado em um pipeline de 10 estágios. Ao contrário do Pentium, que é um processador CISC, que processa todas as instruções x86 diretamente, o Pentium III e todos os demais processadores atuais, são processadores post-RISC, que quebram as instruções x86 em instruções simples, que são então processadas.
Graças à inclusão de todos os demais circuitos, uso do cache integrado e melhorias nas placas-mãe, o aumento no número de estágios de pipeline do Pentium III não teve um impacto muito negativo sobre o desempenho. Pelo contrário, um Pentium III é pelo menos duas vezes mais rápido que um Pentium 1 do mesmo clock. O Pentium II, por sua vez, é muito similar ao Pentium III em arquitetura, carecendo apenas do cache L2 on-die e das instruções SSE.

Foi graças ao aumento no número de estágios no pipeline que o Pentium III foi capaz de atingir frequências de operação tão mais elevadas que o Pentium, que (com o MMX) atingiu apenas 233 MHz. Mesmo que fosse produzido em uma técnica de 0.18 micron, o Pentium provavelmente não seria capaz de superar a barreira dos 500 MHz, enquanto o Pentium III (de 0.18 micron) existiu em versões de até 1.0 GHz.

O Pentium 4 levou essa filosofia adiante, utilizando um total de 20 estágios de pipeline, daí o nome "Hyper Pipelined". Temos aqui um slide da Intel que mostra um comparativo entre o pipeline do Pentium III com os 20 estágios do Willamette (note que o slide não leva em conta os dois estágios finais, onde os resultados são escritos):

Com mais estágios, cada um responde por uma fração menor do processamento, o que permite que o processador seja capaz de operar a frequências mais elevadas. Voltando ao exemplo da linha de produção, seria como se dobrássemos o número de operários e cada um passasse a encaixar apenas uma peça em cada produto que passa através da esteira, em vez de duas. Reduzindo o trabalho de cada operário pela metade, seria possível mover a esteira ao dobro da velocidade, dobrando a produção.

O grande problema é que os processadores atuais executam várias instruções simultaneamente, enquanto os programas são uma sequencia de instruções, de forma que sempre existe uma penalidade em adicionar mais estágios. Quanto mais estágios, mais tempo o processador demora para executar as instruções iniciais de tomada de decisão e mais tempo perde ao escolher o caminho errado.

Ainda no exemplo da linha de produção seria como se o produto a ser montado mudasse constantemente, de acordo com os pedidos recebidos dos clientes. Cada vez que o produto muda, é preciso parar a esteira, desmontar as unidades do produto anterior que já estavam parcialmente montadas e limpar a esteira, para só então poder recomeçar a produção.

No Pentium 4, a cada tomada de decisão errada são perdidos pelo menos 20 ciclos de processamento, uma eternidade considerando que em média, 14% das instruções processadas são de tomada de decisão. A partir de um certo ponto, aumentar o número de estágios torna-se contra produtivo, já que o processador precisa operar a frequências de clock cada vez mais altas para compensar a perda de desempenho causada pelo maior número de estágios.

Além da perda de desempenho, outro efeito colateral de se usar mais estágios de pipeline é o fato de tornar o processador maior e mais complexo e fatalmente bem mais caro de se produzir. O Pentium 4 de 0.18 micron media 217 milímetros quadrados, quase o dobro do Athlon Thunderbird, que media 120 mm². Isso significa que o Pentium 4 era proporcionalmente mais caro de se produzir.

A versão inicial do Pentium 4 era baseada no core Willamette, produzido usando uma técnica de 0.18 micron (a mesma usada na fabricação dos processadores Pentium III com cache integrado). Ele utilizava um encapsulamento peculiar, onde a placa com o die do processador e o spreader metálico era montada sobre uma segunda placa de contatos.

O Willamette utilizava 256 KB de cache L2 on-die e trouxe um novo encaixe, o soquete 423, que acabou sendo usado apenas por ele. Esta primeira leva do Pentium 4 foi produzida em versões de 1.3 a 2.0 GHz.
A segunda geração foi o Northwood, produzido em uma técnica de 0.13 micron. Ele não trouxe mudanças na arquitetura, mas a redução no tamanho físico dos transistores permitiu que fossem adicionados mais 256 KB de cache L2, totalizando 512 KB.

Como o Pentium 4 foi originalmente projetado para trabalhar em conjunto com módulos de memória Rambus (que apesar da maior latência oferecem taxas de transferência de dados mais altas) o desempenho do Willamette era prejudicado de forma significativa ao utilizar memórias SDRAM SDR. Entretanto, o aumento no cache e a popularização das placas com suporte a memórias DDR melhoraram de forma significativa o desempenho do processador, fazendo com que (respeitadas as diferenças no clock) ele passasse a competir mais ou menos em pé de igualdade com o Athlon Thunderbird da AMD em termos de desempenho, muito embora o Thunderbird fosse bem mais eficiente.

Junto com o Northwood foi introduzido o soquete 478, onde o processador utiliza um encapsulamento muito mais compacto que no soquete 423 utilizado pelo Willamette. A principal vantagem técnica do novo soquete foi a de reduzir o comprimento das trilhas dentro do encapsulamento do processador, o que diminuiu a perda de sinal, facilitando o uso de frequências mais altas:

O Northwood foi produzido em versões de 1.6 a 3.06 GHz, englobando tanto modelos com bus de 400 MHz quanto modelos utilizando bus de 533. A série com bus de 400 MHz inclui os modelos de 2.0, 2.2, 2.4, 2.6, 2.8 e 3.0 GHz, enquanto a série com bus de 533 MHz inclui modelos de 2.26, 2.40, 2.53, 2.66, 2.8 e 3.06 GHz. Existiram ainda diversos modelos do Celeron baseados no core Northwood, com clock de 1.8 a 2.8 GHz, sempre utilizando bus de 400 MHz. Os Celerons baseados no Northwood possuem apenas 128 KB de cache, por isso o desempenho era muito mais baixo.

Mais tarde foi lançada uma série com suporte a Hyper-Threading, vendida sob a marca "Pentium 4 HT", que incluiu modelos com de 2.4 a 3.4 GHz. Com exceção do modelo de 3.06 GHz, todos utilizam bus de 800 MHz, o que ajudou a melhorar sutilmente o desempenho por clock em relação às versões anteriores.

O Prescott representou a terceira geração do Pentium 4. Ele foi produzido a partir de 2004, utilizando uma técnica de fabricação de 0.09 micron. Diferente do Northwood, que trouxe apenas melhorias no cache, o Prescott trouxe uma nova revisão da arquitetura, com a adição de 11 novos estágios ao já longo pipeline do Northwood. Com isso, o Prescott atingiu a impressionante marca de 31 estágios de pipeline, um número sem precedentes entre os processadores x86. Para efeito de comparação, o Athlon 64 utiliza um pipeline de apenas 12 estágios.

Em um processador atual, o uso de um pipeline mais longo não é exatamente uma boa notícia, muito pelo contrário. Como vimos, aumentar o número de pipelines do processador permite que cada estágio execute um volume menor de processamento. Com isso, o processador passa a ser capaz de operar a frequências mais altas, mas, em compensação, as instruções demoram um número maior de ciclos de clock para serem processadas (já que precisam percorrer todo o pipeline), o que aumenta brutalmente o tempo perdido em operações de tomada de decisão, onde o processador precisa aguardar o resultado de uma operação para poder processar a seguinte.

O longo pipeline facilita o uso de frequências mais altas, mas por outro lado faz com que o processador perca mais tempo em operações de tomada de decisão, reduzindo o desempenho. Isso obrigou a Intel a realizar um conjunto de melhorias na arquitetura e a amplicar o cache L2 para 1 MB, penas para reduzir a perda.

O resultado final foi que embora o Prescott fosse levemente inferior a um Northwood do mesmo clock na maioria das tarefas, ele dissipava mais calor que um Northwood do mesmo clock, mesmo sendo produzido em uma técnica de 0.09 micron. Se isso lhe soa estranho, basta ter em mente que apesar da técnica mais avançada de produção, ele possui 125 milhões de transistores, contra apenas 55 milhões do Northwood. O TDP do Northwood de 3.4 GHz era de 89 watts, enquanto o do Prescott da mesma frequência era de 103 watts, ou seja, 14 watts a mais.

A Intel planejava lançar versões do Prescott com clocks acima de 4 GHz (durante a fase de desenvolvimento chegaram a falar em 5 GHz), mas o massivo consumo elétrico e a dissipação térmica do processador tornou inviável o lançamento de versões com clock acima de 3.8 GHz, ou seja, apenas 400 MHz a mais que os Pentium 4 baseados no Northwood de 0.13 micron.

No final, o aumento no número de estágios do pipeline e as outras mudanças arquiteturais feitas no processador acabaram sendo em vão, tornando o Prescott um dos maiores fracassos da história da Intel.

Esgotadas as possibilidades com relação ao amento no clock, a Intel decidiu investir no desenvolvimento de processadores dual-core, o que deu origem à série Pentium D, que foi composta pelas três gerações finais da família NetBurst.

O core Smithfield era uma versão dual-core do Prescott (1 MB de cache para cada core), produzido em uma técnica de 0.09 micron. Ele foi utilizado nas primeiras versões do Pentium D (abrangendo modelos de 2.66 a 3.2 GHz) e também no Pentium Extreme Edition 840:

O Cedar Mill foi uma versão atualizada do Prescott com 2 MB de cache, produzida utilizando uma técnica de 0.065 micron (65 nanômetros). Foram lançadas apenas 4 versões do Cedar Mill, operando a 3.0, 3.2, 3.4 e 3.6 GHz, todas em versão LGA-775 e utilizando bus de 800 MHz. Embora o Cedar Mill fosse capaz de facilmente superar a marca dos 4.0 GHz, em overclock, a Intel decidiu não lançar processadores acima dos 3.6 GHz, com medo de que o consumo elétrico excessivo dos processadores fizesse o tiro sair pela culatra.

O Presler, por sua vez, era uma versão dual-chip do Cedar Mill, onde dois chips eram instalados dentro do mesmo encapsulamento. Como os dois chips eram separados por uma distância de 5 mm, a dissipação de calor era um pouco mais eficiente do que no Smithfield. Além disso, graças à utilização de núcleos separados, o índice de aproveitamento da Intel era melhor, já que os dois processadores podiam ser testados separadamente. No caso do Smithfield, caso um dos dois cores apresentasse defeito, ambos precisavam ser descartados.

O Presler foi lançado em versões de 2.8 a 3.6 GHz, todas com 2 x 2 MB de cache L2 e utilizando bus de 800 MHz. Além de representar a maior parte dos Pentium D vendidos, ele foi utilizado também em duas versões do Pentium Extreme Edition, operando a 3.46 e 3.73 GHz.

Naturalmente, a AMD não ficou parada. Depois do Athlon Palomino e do Thoroughbred, a AMD lançou o Barton, que trouxe pequenas melhorias de projeto e 512 KB de cache L2. Além de ser usado nas versões mais rápidas do Athlon XP, o core Barton foi utilizado nos Semprons 2400+ a 3000+, os últimos processadores lançados para o saudoso soquete A.

A partir daí, temos os Athlon 64, Athlon 64 FX, Athlon 64 X2 e os Semprons para as placas soquete 754, 939 e AM2. Pela primeira vez na história, a AMD tomou a dianteira, produzindo processadores mais rápidos que a Intel e fazendo seu padrão de instruções de 64 bits (o AMD64) prevalecer, obrigando a Intel a desenvolver o EM64T, um conjunto compatível de instruções, incluído a partir do Pentium 4 Prescott, sem muito alarde.

De fato, a participação da AMD no mercado só não cresceu mais neste período devido à sua incapacidade de produzir seus processadores em maior volume. Assim como é demorado desenvolver um novo projeto, também é caro e demorado inaugurar novas fábricas.

Por sorte, a Intel não desistiu inteiramente de produzir um processador mais econômico e com um melhor desempenho por clock, apenas relegou o projeto a segundo plano, dando prioridade ao desenvolvimento do Pentium 4 e da plataforma NetBurst.

O desenvolvimento deste processador de baixo consumo ficou a cargo de um grupo de engenheiros sediados em Israel, que passaram a trabalhar em uma versão aprimorada do antigo Pentium III, um processador com menos estágios e menos transistores, incapaz de atingir frequências de operação muito altas, mas que, em compensação, oferecia um desempenho por clock muito superior ao do Pentium 4.

A ideia era trabalhar para reforçar os pontos fortes do Pentium III e minimizar seus pontos fracos, produzindo um processador com um desempenho por ciclo ainda melhor, mas que, ao mesmo tempo, consumisse menos energia e fosse capaz de operar a frequências mais altas.

A primeira encarnação do novo processador foi o core Banias (lançado em 2003), que chegou ao mercado na forma da primeira versão do Pentium-M. O Banias mostrou ser um processador promissor. Mesmo com o agressivo sistema de gerenciamento de energia (que causava uma pequena diminuição no desempenho, mesmo quando o processador operava na frequência máxima), o Banias era cerca de 50% mais rápido que um Pentium 4 Northwood do mesmo clock (embora ficasse longe de superá-lo, já que operava a frequências de clock muito mais baixas).

Em 2004 foi lançado o Pentium-M com core Dothan, equipado com 2 MB de cache L2, melhorias no circuito de branch prediction (que minimiza a perda de tempo com operações de tomada de decisão), um reforço nas unidades de execução de inteiros e melhoria no acesso aos registradores. Combinadas, estas melhorias resultaram num ganho real de cerca de 8% em relação a um Banias do mesmo clock.

Aproveitando o baixo consumo do Dothan, a Intel desenvolveu o Yonah, um processador dual-core para notebooks, produzido usando uma técnica de 0.065 micron. Assim como o Dothan, o Yonah possui 2 MB de cache L2. Entretanto, em vez de ser dividido entre os dois cores (1 MB para cada um), o cache é compartilhado, permitindo que ambos os cores acessem os mesmos dados, evitando assim duplicação de informações e desperdício de espaço. Nos momentos em que o processador está parcialmente ocioso, o segundo core pode ser completamente desligado (para economizar energia), deixando o primeiro core com um cache de 2 MB inteiramente para si.

Ao executar tarefas pesadas, um Core Duo de 2.0 GHz consome 31 watts, contra 21 watts do Dothan do mesmo clock. Ou seja, mesmo com os dois cores ativos, o consumo aumenta menos de 50%, muito longe de dobrar, como seria de se esperar.

O departamento de marketing da Intel passou então a falar em "eficiência" em vez de frequências de clock mais altas. Os planos frustrados de lançar um processador de 10 GHz baseado no Pentium 4 foram varridos para debaixo do tapete e a meta passou a ser lançar processadores que executem mais processamento com menos energia

Este slide do IDF 2006 dá uma amostra do novo discurso. Ele mostra como a eficiência energética (o volume de eletricidade necessária para processar cada instrução) dos processadores vinha caindo desde o Pentium, atingindo seu nível mais baixo com o Pentium 4 Dual Core, até a introdução do Banias, Dothan e Yonah; uma posição pouco honrosa para o Pentium 4, que (segundo a própria Intel) precisa de 5 vezes mais eletricidade para fazer o mesmo trabalho:

O golpe final veio com o lançamento do Conroe, uma versão aperfeiçoada do Yonah, com foco no uso em desktops, que deu origem às primeiras versões do Core 2 Duo, lançadas em junho de 2006. Elas rapidamente substituíram o Pentium D, precipitando o fim da plataforma NetBurst, que acabou sendo varrida para debaixo do tapete.