摘要：Pentium 4（奔腾 4） 是 Intel （英特尔）生产的第 7 代 x86 微处理器，2000 年 11 月上市。首款产品代码为 Willamette，拥有 1.4GHz 左右的内核时钟，采用 Socket 423 脚位架构。奔腾 4 作为 Intel
一、奔腾 4 处理器的诞生
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Pentium 4（奔腾 4） 是 Intel （英特尔）生产的第 7 代 x86 微处理器，2000 年 11 月上市。首款产品代码为 Willamette，拥有 1.4GHz 左右的内核时钟，采用 Socket 423 脚位架构。奔腾 4 作为 Intel 继 1995 年出品的 Pentium Pro 之后的第一款重新设计过的处理器，其新架构被称为 NetBurst。
Pentium 4 首款产品工程代号为 Willamette，拥有 1.4GHz 左右的核心时钟，它其实是一个 100MHz 时钟频率的四倍数据速率（QDR）前端总线，因此数据传输速率为 4×100MHz。而 AMD Athlon 处理器采用双倍数据输率（DDR）前端总线，拥有 266MHz 或 333MHz 的数据传输速率。
Willamette 设计过程经过了很长时间的延迟，最初在 1998 年的一个产品发展路线中提出。当时人们希望它在面世时能够突破 1GHz 的屏障。然而，当 Pentium III 发布以后，由于其架构与 Pentium III 相比有很大的不同，Intel 不能将其称为Pentium III，于是采用 NetBurst 架构并命名为 Pentium 4，这也终结了英特尔以罗马数字命名的规则。
这个新的内核使用 0.18 微米（180 纳米）工艺生产，最初在主板上使用 Socket 423，后来的版本更改到 Socket 478。在性能测试中，Willamette 的表现让分析人士失望，因为它不仅在所有的测试环境中不能超过 Athlon 和最高频率的 Pentium III，而且并不优于低端的 AMD Duron。尽管售价为 819 美元（1000 颗的批发价），它的销售表现一般但是增长势头可观，这在一定程度上是由于需要相对较昂贵的 Rambus 动态随机存储器（RDRAM）所致。Pentium III 仍然保持英特尔最卖座的芯片，Athlon 的销售也稍稍领先于 Pentium 4。
二、奔腾 4 的性能表现
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1. 初代奔腾 4（Willamette）
初代奔腾 4 采用 0.18 微米（180纳米）工艺制造，拥有 256KB 全速二级缓存，400MHz FSB。从市场表现来看，它可以说是相当失败。其最大硬伤在于性能，虽然频率高于上代奔腾 3，但在性能上仍不及奔腾 3，更不用说当时如日中天的速龙雷鸟了。部分跑分显示，只有当奔腾 4 的主频高于 2.0GHz 时，才能和一些速龙雷鸟抗衡。此外，初代奔腾 4 配套的 850 芯片组仅支持昂贵的 Rambus 内存，不支持相对廉价的 SDRAM，在性能和兼容两大硬伤之下，奔腾 4 的销量直接暴死，一蹶不振。后来英特尔推出了 845 芯片组支持 SDRAM，奔腾 4 的销量才有所回温。
2. 成功的 Northwood 内核
2002 年 1 月，奔腾 4 最为成功的内核 Northwood（北木内核）发布。它采用全新且已经由图拉丁试水的 130nm 全新制程，相比 180nm 的前辈缩小了非常多。这次制程的提升较好地解决了发热与功耗问题。随着 800MHz FSB、超线程等新技术的引入，性能远超图拉丁奔腾 III。Northwood 核心的奔腾 4 无疑是最好的奔腾 4，它具有低发热量、出众的超频能力，衍生的赛扬型号以及 845G 的芯片组大量占据市场。接着，800 总线频率的 Northwood 推出，超线程技术的加入以及 865、875 芯片组的推出，迎来了奔腾 4 最辉煌的时刻。865 芯片组支持 DDR400 内存和双通道，终于能够满足奔腾 4 的内存带宽需求，支持 AGP 8x 的图形接口，让 800 总线的奔腾 4 可以大杀四方。
3. 失败的 Prescott 内核
Prescott 内核的奔腾 4 首发 FCBGA 478 接口，后来过渡到了 LGA775 接口。它流水线加长到 31 级，晶体管太多，每个时钟周期比 Northwood 多产生大约 60% 的热量，功率消耗也增加大约 10%。90 纳米工艺制造的 Prescott 存在严重的漏电流问题，造成这颗处理器无论是功耗还是发热量都大得惊人。31 级超长指令流水线带给这颗处理器的是低下的执行效率，同频率的整数性能低于 Northwood 核心的奔腾 4，当时的快取和乱序执行算法也不完善，造成这颗奔腾 4 高频低能，功耗奇高，发热严重。后来面对 AMD 64 位处理器的竞争，英特尔又在这颗处理器里加入了 EMT64 指令集，用于兼容 AMD 64 位的软件和系统。配套的主板从 865 开始，后来推出了 915 芯片组，915 芯片组带来了外部设备接口的巨大变革，PCI-e 插槽全面推广开来，显卡的接口也由 AGP 接口变成了 PCI-E x16，SATA硬盘也从 915 开始全面普及。
三、奔腾 4 的特点
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1. 采用 NetBurst 架构，拥有快速的前端总线，能在方波四个状态传送数据。
奔腾 4 采用 NetBurst 架构，拥有非常快速的前端总线。它其实是一个为 100MHz 的四条并列总线，因此理论上它可以传送比一般总线多四倍的容量，所以号称有 400MHz 的速度。相应的，奔腾 4 前期的竞争对手 AMD Athlon 处理器采用双倍数据输率（DDR）前端总线，拥有 266MHz 或 333MHz 的数据传输速率。这意味着奔腾 4 在数据传输方面具有一定的优势，能够在方波的四个状态传送数据，提高了数据的传输效率。
2. 支持超线程技术，但在同主频下，增加流水线深度降低了单个时钟周期的性能。
奔腾 4 支持超线程技术，这一技术进一步增强了英特尔 NetBurst 微处理器内核架构效能，使一个奔腾 4 处理器能够同时执行两个硬件级线程。通过充分利用闲置的处理器资源，使总体系统性能显著提高。在抢占式多任务环境中，使现有软件实现明显的性能提升，而无需修改应用软件层代码。
然而，奔腾 4 在同主频下，增加流水线深度却降低了单个时钟周期的性能。奔腾 4 之前的 Pentium III CPU，流水线深度为11 级，而奔腾 4 的流水线深度达到了 20 级，到了代号为 Prescott 的 90 纳米工艺处理器 Pentium 4，流水线深度更是增加到31 级。因为一个 Pipeline Stage 就需要一个时钟周期，把任务拆分成 31 个阶段，就需要 31 个时钟周期才能完成一个任务；而把任务拆分成 11 个阶段，只需要 11 个时钟周期完成任务。在这种情况下，31 个 Stage 的 3GHz 主频的 CPU，其实和 11 个 Stage 的 1GHz 主频的 CPU，性能差不多。而且由于每个 Stage 都要有对应 Pipeline 寄存器的开销，更深的流水线性能可能还会更差。
四、奔腾 4 的历史地位
1.奔腾 4 的推出标志着英特尔进入了一个新的时代，为当时的计算机行业带来了革命性的变化。
奔腾 4 作为英特尔在 2000 年推出的处理器，其全新的 NetBurst 架构和一系列新技术，如 QDR 技术、超线程技术等，为计算机行业带来了重大变革。它的高频率和先进特性，使得计算机在处理多媒体任务和多线程应用时更加高效。在那个时代，奔腾 4 成为了高性能计算机的代表，推动了计算机行业向更高性能、更多功能的方向发展。
2.虽然现在被更先进的处理器取代，但它仍然是一个重要的里程碑，对于计算机行业的发展做出了巨大的贡献。
如今，随着处理器技术的飞速发展，奔腾 4 早已被更先进的产品所取代。然而，它在计算机行业的发展历程中占据着重要的地位。奔腾 4 不仅是英特尔处理器发展的一个重要阶段，也是整个计算机行业技术进步的见证。它的出现促使竞争对手不断创新，推动了行业的发展。同时，奔腾 4 也为后续处理器的研发提供了宝贵的经验和技术基础，其在架构设计、制程工艺等方面的探索，为后来的处理器发展奠定了基础。
五、奔腾 4 的经典应用
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1.桌面电脑领域，曾是市场上的主流处理器之一。
奔腾 4 在桌面电脑领域曾占据重要地位。它以较高的主频和独特的技术，如 QDR 技术、超线程技术等，吸引了众多用户。在当时，奔腾 4 处理器的性能能够满足大多数用户的日常办公和娱乐需求。无论是文档处理、网页浏览还是轻度的游戏娱乐，奔腾 4 都能较好地胜任。其快速的前端总线和强大的数据传输能力，使得计算机在处理多任务时也有一定的优势。
2.移动版奔腾 4 虽有缺陷，但也在笔记本电脑市场有一定的应用。
移动版奔腾 4 主要有两类。一类是移动奔腾 4-M 处理器，具备 SpeedStep 和深度休眠技术，功耗约 35W，但不支持超线程技术。另一类是移动奔腾 4 处理器，为笔记本提供了高主频，功耗比台式机奔腾 4 低一些，“仅仅” 有 70W。然而，移动版奔腾 4 的致命缺陷是功耗和热量较大。这使得采用移动奔腾 4 处理器的笔记本通常又大又厚又重，电池续航能力也难以保证。相比之下，图拉丁奔腾 III-M 具有低功耗、低热量以及高性能的优点，在轻薄便携笔记本产品的开发中更受青睐。尽管如此，移动版奔腾 4 还是在笔记本电脑市场有一定的应用，为那些对主频有较高要求的用户提供了一种选择。
六、总结
奔腾 4 处理器在处理器发展史上留下了浓墨重彩的一笔，它既有辉煌的时刻，也有失败的教训。回顾奔腾 4，我们可以看到处理器技术的不断进步和发展。
奔腾 4 作为英特尔在 2000 年推出的处理器，其全新的 NetBurst 架构和一系列新技术，如 QDR 技术、超线程技术等，为计算机行业带来了重大变革。然而，奔腾 4 也存在一些问题，如功耗高、发热量大等。这些问题在一定程度上影响了奔腾 4 的性能和市场表现。
奔腾 4 的成功之处在于它的高频率和先进特性，使得计算机在处理多媒体任务和多线程应用时更加高效。在那个时代，奔腾 4 成为了高性能计算机的代表，推动了计算机行业向更高性能、更多功能的方向发展。
奔腾 4 的失败之处在于它的功耗高、发热量大等问题。这些问题在笔记本电脑市场上尤为突出，使得采用移动奔腾 4 处理器的笔记本通常又大又厚又重，电池续航能力也难以保证。此外，奔腾 4 的超长流水线技术也存在一些问题，如降低了单个时钟周期的性能等。
尽管奔腾 4 存在一些问题，但它在计算机行业的发展历程中占据着重要的地位。奔腾 4 不仅是英特尔处理器发展的一个重要阶段，也是整个计算机行业技术进步的见证。它的出现促使竞争对手不断创新，推动了行业的发展。同时，奔腾 4 也为后续处理器的研发提供了宝贵的经验和技术基础，其在架构设计、制程工艺等方面的探索，为后来的处理器发展奠定了基础。
来源：做人的良心
