Μικροαρχιτεκτονική NetBurst

Η μικροαρχιτεκτονική NetBurst (αποκαλούμενη P68 στις τάξεις της Intel) ήταν ο διάδοχος της μικροαρχιτεκτονικής P6 της οικογένειας x86 των επεξεργαστών της Intel. Ο πρώτος επεξεργαστής που χρησιμοποιύσε αυτή την αρχιτεκτονική ήταν ο πυρήνας Willamette των Pentium 4, που κυκλοφόρησε στις 20 Νοεμβρίου 2000, και ήταν ο πρώτος επεξεργαστής της σειράς Pentium 4. Επίσης όλοι οι μετέπειτα παράγωγοι επεξεργαστές Pentium 4 και Pentium D κατασκευάστηκαν με βάση την NetBurst. Κυκλοφόρησε ακόμα τον πυρήνα Foster, κάνοντας με αυτόν τον τρόπο τη μετάβαση των επεξεργαστών Xeon, στη νέα μικροαρχιτεκτονική. Οι επεξεργαστές Celeron, που βασίστηκαν στους Pentium 4, επίσης χρησιμοποιούν τη μικροαρχιτεκτονική Netburst. Η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική αναφέρεται επίσης και ως Intel P7, Intel 80786 ή i786, συγκρινόμενη με προγενέστερες. Αυτές οι ονομασίες δεν είναι επίσημες. Ωστόσο η ονομασία P7 χρησιμοποιήθηκε από την Intel ως κωδική ονομασία για τη μικροαρχιτεκτονική Itanium.

 Στην μικροαρχιτεκτονική NetBurst χρησιμοποιούνται για πρώτη φορά καινοτόμες μέθοδοι όπως οι Hyper Pipelined Technology (υπερδιοχέτευση) και Rapid Execution Engine (Μηχανή Ταχείας Εκτέλεσης). Στον πυρήνα Willamete συναντάμε για πρώτη φορά διοχέτευση εντολών 20 σταδίων, αυτό που η Intel ονόμασε υπερδιοχέτευση, μια σημαντική αύξηση, συγκρινόμενη με τα 10 στάδια των επεξεργαστών Pentium III. Ο πυρήνας Prescott έχει 31 στάδια. Η εμβάθυνση της διοχέτευσης μπορεί να έχει μειονεκτήματα, ωστόσο ο μεγάλος αριθμός σταδίων διοχέτευσης επιτρέπει στον επεξεργαστή να τρέχει σε πολύ μεγαλύτερες συχνότητες και έτσι να εξισορροπεί πιθανές απώλειες επιδόσεων. Έτσι, για κατασκευαστικούς λόγους, συμβιβάστηκαν με τους μικρότερους αριθμούς εκτέλεσης εντολών ανά κύκλο ρολογιού (Ε.Α.Κ.) που προέκυψαν ως έμμεση συνέπεια της εμβάθυνσης της διοχέτευσης. Ένα άλλο μειονέκτημα των περισσότερων σταδίων διοχέτευσης είναι η συνακόλουθη αύξηση των σταδίων αναδρομής σε περίπτωση που γίνει κάποιο λάθος στη πρόβλεψη μιας διακλάδωσης. Αποτέλεσμα είναι να αυξάνεται και η ποινή για αυτή τη λανθασμένη πρόβλεψη. Για να εξισορροπηθεί αυτό το μειονέκτημα, η Intel επινόησε τη Μηχανή Ταχείας Εκτέλεσης (Rapid Execution Engine) επενδύοντας μεγάλα χρηματικά ποσά στην τεχνολογία πρόβλεψης διακλαδώσεων. Σύμφωνα με την Intel η τεχνολογία αυτή μείωσε τις λανθασμένες προβλέψεις κατά 33% σε σχέση με τους Pentium III. Με αυτήν τη τεχνολογία, οι Αριθμητικές/Λογικές Μονάδες (A.Λ.Μ.) σε έναν επεξεργαστή, λειτουργούν 2 φορές όσο η συχνότητα του ρολογιού του πυρήνα. Για παράδειγμα, σε έναν επεξεργαστή με συχνότητα 3,8 GHz, οι ΑΛΜ θα λειτουργούν στα 7,6 GHz . Ο λόγος που γίνεται αυτό είναι για να αντισταθμιστεί η πτώση των Ε.Α.Κ., έτσι ενισχύεται η απόδοση του επεξεργαστή σε ακέραιους αριθμούς. Το μειονέκτημα που προκύπτει όμως είναι ότι ορισμένες εντολές είναι πιο αργές από πριν. Εντός της κρυφής μνήμης πρώτου επιπέδου (L1 cache), Η Intel ενσωμάτωσε την τεχνολογία Execution Trace Cache. Σύμφωνα με αυτήν, οι αποκωδικοποιημένες μικροδιεργασίες αποθηκεύονται σε αυτή τη μνήμη. Έτσι με την εκτέλεση μιας νέας εντολής, αντί να προσκομίζει και να αποκωδικοποιεί εκ νέου την εντολή, ο επεξεργαστής έχει άμεση πρόσβαση στην ήδη αποκωδικοποιημένη μικροδιεργασία εξοικονομώντας σημαντικό χρόνο. Επιπλέον, οι μικροδιεργασίες αποθηκεύονται (προσωρινά) στη κρυφή μνήμη με τη προβλεπόμενη πορεία εκτέλεσής τους. Αυτό σημαίνει ότι όταν οι οδηγίες προσκομίζονται από τη κρυφή μνήμη στον επεξεργαστή έχουν καταχωρηθεί με τη σωστή σειρά εκτέλεσης. Παρά αυτές τις βελτιώσεις, η μικροαρχιτεκτονική NetBurst δημιούργησε εμπόδια στους μηχανικούς οι οποίοι προσπάθησαν να την εξελίξουν (ως προς τις επιδόσεις). Με αυτήν τη μικροαρχιτεκτονική, η Intel προσδοκούσε σε συχνότητες της τάξεως των 10 GHz. Όμως αυτή η αύξηση της συχνότητας είχε ως αποτέλεσμα και την κατακόρυφη αύξηση της κατανάλωσης την οποία έπρεπε να κρατήσουν σε αποδεκτά επίπεδα. νΤο Νοέμβριο του 2004, η Intel έφθασε στο φράγμα των 3,8 GHz αντιμετωπίζοντας πολλά προβλήματα στην προσπάθειά της. Τελικά η Intel εγκατέλειψε τη μικροαρχιτεκτονική NetBurst καθώς τα προβλήματα υπερθέρμανσης έφθαναν αναπόφευκτα σε απαγορευτικά επίπεδα. Την θέση της πήρε η μικροαρχιτεκτονική Core. Η Intel αντικατέστησε τον πρωτότυπο πυρήνα Willamete με μια ανασχεδιασμένη έκδοση που ονομάστηκε Northwood και εκδόθηκε τον Γενάρη του 2002. Ο Northwood συνδύαζε, μικρότερη λιθογραφική μέθοδο ολοκλήρωσης στα 130 νανόμετρα, μεγαλύτερη χωρητικότητα κρυφής μνήμης καθώς και τεχνολογία Hyper-Threading (παρόλο που όλα τα μοντέλα είχαν αυτό το χαρακτηριστικό απενεργοποιημένο εκτός του μοντέλου των 3.06 GHz). Με αυτόν το τρόπο παράχθηκε μια πιο σύγχρονη, υψηλής απόδοσης έκδοση της μικροαρχιτεκτονικής NetBurst. Τον Φλεβάρη του 2004, η Intel εισήγαγε άλλη μια, πιο ριζοσπαστική εκδοχή της μικροαρχιτεκτονικής, με τη κωδική ονομασία Prescott. Ο πυρήνας Prescott κατασκευάστηκε με τη μέθοδο ολοκλήρωσης στα 90nm (νανόμετρα), και συμπεριλάμβανε μείζονες αλλαγές όπως πρόσθεση μεγαλύτερης κρυφής μνήμης, μεγαλύτερη εμβάθυνση στη διοχέτευση των εντολών (31 σε σχέση με τα 21 του Northwood), ριζικά ανανεωμένο σύστημα πρόβλεψης διακλαδώσεων, εισαγωγή της αρχιτεκτονικής συνόλου εντολών SSE3, και την πλήρη ενσωμάτωση του Intel 64, της έκδοσης των 64-μπιτ των επεξεργαστών (όλοι οι Prescott με την εμπορική ονομασία Pentium 4 HT υποστηρίζουν υλικά αυτό το χαρακτηριστικό, έχουν δηλαδή ενσωματωμένα εξειδικευμένα κυκλώματα, όμως δεν είναι ενεργοποιημένα παρά μόνο στους επεξεργαστές Xeon. Το χαρακτηριστικό αυτό ενσωματώθηκε επισήμως στους επεξεργαστές με την επωνυμία Pentium D. Παρ' όλες τις καινοτομίες και τα νέα χαρακτηριστικά, συχνά ένας Prescott υστερούσε σε σχέση με έναν Northwood ίδιας συχνότητας και πολλοί μηχανικοί ένιωθαν ότι η απόδοση του επεξεργαστή σε πραγματικές συνθήκες, θυσιαζόταν στον βωμό της επίτευξης μιας μεγάλης συχνότητας λειτουργίας. Προβλήματα υπήρχαν επίσης και με την κατανάλωσή του όπως και με την έκκληση θερμότητας, κάνοντάς τον τον πιο ενεργοβόρο και καυτό επεξεργαστή που έχει βγάλει η Intel στους μονοπύρηνους επεξεργαστές. Αυτά τα προβλήματα απέτρεψαν την έκδοση ενός επεξεργαστή χρονισμένου πάνω από τα 3,8 GHz για επιτραπέζιους υπολογιστές και ενός για φορητούς υπολογιστές χρονισμένους πάνω από τα 3,4 GHz. Η Intel κυκλοφόρησε, επίσης, έναν διπύρηνο επεξεργαστή βασισμένο στη μικροαρχιτεκτονική NetBurst, ο οποίος ονομάστηκε Pentium D. Ο πρώτος επεξεργαστής Pentium D, υλοποιήθηκε με τον πυρήνα Smithfield, ο οποίος ήταν στη πραγματικότητα δύο πυρήνες Prescott στην ίδια επιφάνεια του τσιπ. Μεταγενέστερα ο Pentium D, υλοποιήθηκε με τον πυρήνα Presler, ο οποίος ήταν στη πραγματικότητα δύο πυρήνες Cedar Mill (ο πυρήνας Cedar Mill αποτέλεσε τη σμίκρυνση του Prescott στα 65nm). Στη δεύτερη περίπτωση οι πυρήνες ήταν διαχωρισμένοι σε δύο διαφορετικά τσιπ ενωμένα μεταξύ τους. Το 2006, Η Intel αντικατέστησε τη NetBurst με την μικροαρχιτεκτονική Core, η οποία προήλθε περισσότερο ως παράγωγη της μικροαρχιτεκτονικής του επεξεργαστή Pentium Pro (του 1995) παρά της NetBurst. Η 8η Αυγούστου 2008, σήμανε το οριστικό τέλος των επεξεργαστών βασισμένων στην NetBurst. Ο λόγος της εγκατάλειψης αυτής, ήταν τα τεράστια προβλήματα υπερθέρμανσης ως συνέπειας των μεγάλων συχνοτήτων λειτουργίας. Παρόλο που οι επεξεργαστές Core και Nehalem έχουν μεγαλύτερη θερμική συμπεριφορά, οι περισσότεροι είναι πολυπύρηνοι, και έτσι κάθε πυρήνας εκλύει ένα κλάσμα της μέγιστης θερμικής συμπεριφοράς. Με την έκδοση αναβαθμισμένων εκδόσεων, η κατανάλωση ορισμένων επεξεργαστών έπεσε εκ νέου. Ο πυρήνας Presler, του επεξεργαστή Pentium D, που κυκλοφόρησε στις αρχές του 2006 είναι ευρέως αποδεκτό ότι αποτέλεσε τον τελευταίο της παραγωγής της μικροαρχιτεκτονικής NetBurst, παρόλο που ο τελευταίος επεξεργαστής που κατασκευάστηκε ήταν ο Celeron D 365 στα 3,6 GHz, και κυκλοφόρησε το 2007. Ο πυρήνας Conroe των επεξεργαστών με την επωνυμία Intel Core 2, βασισμένος στη μικροαρχιτεκτονική Core, αποτέλεσε τον διάδοχο του Presler. Η μικροαρχιτεκτονική Nehalem, η διάδοχος της Core, αρχικά υποτίθεται ότι θα ήταν η εξέλιξη της NetBurst, σύμφωνα με το αρχικό χρονοδιάγραμμα της Intel. Όμως λόγω της πλήρους εγκατάλειψης της NetBurst, η Nehalem είναι πλέον ένα εντελώς καινούριο πρότζεκτ, έχοντας όμως κάποιες ομοιότητες με την NetBurst. Για παράδειγμα, στη μικροαρχιτεκτονική Nehalem επιστρέφει η τεχνολογία Hyper-Threading, που χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στον πυρήνα Northwood, του χρονισμένου στα 3,06 GHz, Pentium 4. Στην Nehalem συναντάμε επίσης εκ νέου κρυφή μνήμη 3ου επιπέδου (L3 cache), που χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στον πυρήνα Gallatin του επεξεργαστή Pentium 4 Extreme Edition. Celeron (NetBurst) Celeron D Pentium 4 Pentium 4 Extreme Edition Pentium D Pentium Extreme Edition Xeon, από το 2001 έως το 2006. P6 Core Nehalem Sandy Bridge