ペンティウム4

第38回年次設計自動化会議でインテルを代表して発表したボブ・ベントレー氏によると、「Pentium 4プロセッサのマイクロアーキテクチャは、これまでのIA-32マイクロプロセッサよりもはるかに複雑であるため、設計の論理的正しさをタイムリーに検証するという課題は、確かに困難なものでした。」彼はテストと検証を支援するために、60人の新卒者からなるチームを雇いました。^{[ 17 ]}

Pentium 4 Willamette（ソケット478）、上面と下面の接点ピンを示す。

最初のNetBurstマイクロアーキテクチャ実装のプロジェクトコード名であるWillametteは、設計プロセスの完了に長い遅延を経験した。このプロジェクトは、IntelがPentium IIを主力製品ラインと位置付けていた1998年に開始された。当時、Willametteコアは最大約1GHzの周波数で動作することが期待されていた 。しかし、 Willametteがまだ完成していないうちにPentium IIIが発売された。P6とNetBurstのマイクロアーキテクチャには根本的な違いがあったため、IntelはWillametteをPentium IIIとして販売することができず、Pentium 4として販売された。

2000年11月20日、インテルはWillametteベースのPentium 4を1.4GHzと1.5GHzでリリースした 。業界の専門家の多くは、この初期リリースを、真に完成する前に投入されたつなぎの製品とみなしていた。これらの専門家によると、競合するThunderbirdベースのAMD Athlonが旧式のPentium IIIを凌駕しており、Pentium IIIのさらなる改良がまだ不可能だったため、Pentium 4がリリースされたという。このPentium 4は180nmプロセスで製造され、当初はSocket 423 （「Willamette」の略でSocket Wとも呼ばれる）を使用していたが、後の改訂版ではSocket 478 （「Northwood」の略でSocket Nとも呼ばれる）に移行した。これらのバリアントは、それぞれインテル製品コード80528と80531で識別される。 

テストベンチでは、Willametteはアナリストにとってやや期待外れだった。なぜなら、すべてのテスト状況でAthlonや最高クロックのPentium IIIを上回ることができなかっただけでなく、低価格帯のAMD Duronよりも優れていなかったからである。^{[ 18 ]} OEM PCメーカー向けに1000個単位で644ドル（1.4GHz  ）と819ドル（1.5GHz ）の価格で発売されたが（消費者市場向けモデルの価格は小売業者によって異なった）、比較的高速だが高価なRambus Dynamic RAM（ RDRAM ）が必要だったため、多少不利になったものの、控えめながらも立派な販売率を記録した。Pentium IIIはIntelの主力プロセッサラインであり続け、AthlonもPentium 4よりわずかに売れた。Intelは箱入りのPentium 4に2つのRDRAMモジュールを同梱したが、Pentium 4の販売促進にはつながらず、多くの人にとって真の解決策とは見なされなかった。 

2001 年 1 月には、さらに低速な 1.3  GHz モデルがラインナップに追加されましたが、その後 12 か月で、Intel は徐々に AMD のパフォーマンスの優位性を下げ始めました。2001 年 4 月には、 旧 Pentium III よりも明らかに優れたパフォーマンスを提供する最初のモデルである 1.7 GHz Pentium 4 が発売されました。7 月には 1.6 GHz と 1.8  GHz モデルが登場し、2001 年 8 月には Intel は 1.9 GHz と 2  GHz の Pentium 4 をリリースしました。同じ月に、RDRAM の代わりにはるかに安価なPC133 SDRAMをサポートする845 チップセットがリリースされました。 ^{[ 19 ]} SDRAM がはるかに安価になったという事実により、Pentium 4 の販売が大幅に伸びました。^{[ 19 ]}新しいチップセットにより、Pentium 4 は Pentium III を急速に置き換え、市場で最も売れているメインストリーム プロセッサになりました。

ウィラメットというコードネームは、インテルの製造施設が多数立地するオレゴン州のウィラメット渓谷地域に由来している。

2002 年 1 月、インテルは、コードネーム Northwood と呼ばれる新しいコアを搭載した Pentium 4 を、1.6  GHz、1.8  GHz、2  GHz、2.2  GHz の速度でリリースしました。^{[ 20 ] [ 21 ]} Northwood (製品コード 80532) は、 L2 キャッシュサイズを 256  KB から 512 KB に増加 (トランジスタ数を 4200 万個から 5500 万個に増加) し、新しい130 nm製造プロセスに移行しました。^{[ 21 ]}プロセッサを小型のトランジスタで構成することで、より高いクロック速度で動作させることができ、発熱量も少なくなります。同じ月に、845 チップセットを使用するボードがリリースされ、DDR SDRAMのサポートが有効になりました。DDR SDRAMは PC133 SDRAM の 2 倍の帯域幅を提供し、Pentium 4 で最大パフォーマンスを実現するために Rambus RDRAM を使用する際の高コストを軽減しました。

2.4  GHz Pentium 4 は 2002 年 4 月 2 日に発売され、バス速度は5 月に2.26 GHz、2.4 GHz、2.53 GHz モデルで 400 MT/sから533 MT/s (物理クロック 133 MHz)に、8 月に 2.66 GHz および 2.8 GHz モデルで、11 月に 3.06 GHz モデルで向上しました。Northwood の登場により、Pentium 4 は成熟期を迎えました。パフォーマンスのリーダーシップを巡る競争は (AMD が Athlon XP のより高速なバージョンを投入したため) 激しいものでしたが、ほとんどの観察者は、最もクロック速度の速い Northwood ベースの Pentium 4 が通常、ライバルを上回っていることに同意しました。これは特に2002年半ばに顕著で、AMDが130nm製造プロセスに切り替えたにもかかわらず、初期の「Thoroughbred A」改訂版Athlon XP CPUは、2.4～2.8GHzの範囲でNorthwoodの優位性を克服できるほど高いクロック周波数を実現できなかった。^{[ 22 ]}           

3.06  GHz Pentium 4 は、フォスターベースの Xeon で初めてサポートされたハイパースレッディング技術に対応しました。これにより、x86 アーキテクチャにおいて、複数のスレッドを同じ物理プロセッサ上で同時に実行できるようになり、仮想プロセッサ (または仮想コア) の慣習が始まりました。2 つの (理想的には異なる) プログラム命令をシャッフルして単一の物理プロセッサ コアで同時に実行することで、従来のように各命令がコア内で個別に実行されるのを待つ方式では利用されなかったプロセッサ リソースを最大限に活用することを目的としています。この最初の 3.06  GHz 533FSB のハイパースレッディング対応 Pentium 4 プロセッサは Pentium 4 HT と呼ばれ、2002 年 11 月に Gateway によって一般市場に投入されました。

2003 年 4 月 14 日、インテルは新しい Pentium 4 HT プロセッサを正式に発売しました。このプロセッサは 800  MT/s FSB (200  MHz の物理クロック) を使用し、クロック周波数は 3  GHz で、ハイパースレッディング技術を搭載していました。^{[ 23 ]}これは Pentium 4 が AMD のOpteronプロセッサシリーズとより良く競争できるようにするためのものでした。一方、AMD のデスクトップ ラインで Athlon XP 3200+ が発売されると、AMD は Athlon XP の FSB 速度を 333  MT/s から 400  MT/s に引き上げましたが、新しい 3 GHz Pentium 4 HT を抑えるには十分ではありませんでした 。^{[ 24 ]}

Pentium 4 HTの200MHz クワッドポンプバス（200  ×4＝800MHz の実効値）への拡張は、NetBurstアーキテクチャが最適なパフォーマンスを実現するために必要とする帯域幅要件を満たす上で大いに役立ちました。Athlon XPアーキテクチャは帯域幅への依存度が低かったものの、Intelが達成した帯域幅の数値はAthlonのEV6バスの範囲をはるかに超えていました。理論的には、EV6でも同じ帯域幅の数値を達成できたかもしれませんが、当時の速度では到底実現不可能でした。Intelの高い帯域幅はストリーミング処理のベンチマークで有効であることが証明され、IntelのマーケティングはこれをAMDのデスクトッププロセッサに対する具体的な改善点として賢明に活用しました。 Northwoodの2.4GHz 、2.6GHz 、2.8GHzの各バージョンは2003年5月21日に発売された。3.2GHzバージョンは2003年6月23日に発売され、最終版となる3.4GHzバージョンは2004年2月2日に登場した。     

初期ステッピングのNorthwoodコアをオーバークロックすると、驚くべき現象が生じた。コア電圧が1.7V以上に近づくと、オーバークロックの余地が大幅に増えることが多かったが、プロセッサは徐々に（数ヶ月または数週間かけて）不安定になり、最大安定クロック速度が低下した後、完全に動作不能になった。これは、エレクトロマイグレーションによって引き起こされる突然のNorthwood死亡症候群（SNDS）として知られるようになった。^{[ 25 ]}

2003年9月、インテル開発者フォーラムで、 Athlon 64とAthlon 64 FXの発売のわずか1週間強前に、Pentium 4 Extreme Edition（P4EE）が発表されました。設計はPentium 4とほぼ同じで（同じマザーボードで動作するという点において）、 レベル3キャッシュが2MB追加されている点が異なっていました。Xeon MPと同じGallatinコアを搭載していましたが、ソケット478（Xeon MPはソケット603）で、 バス速度は800MT/sとXeon MPの2倍でした。

IntelはExtreme Editionがゲーマー向けだと主張したが、批評家たちはAthlon 64の発売時の話題を奪おうとする試みだと見なし、「緊急版」というあだ名をつけた。^{[ 28 ]} 1000ドルという価格設定から、「高価な版」や「非常に高価な版」とも呼ばれた。^{[ 29 ]}

キャッシュの追加により、プロセッサ負荷の高いほとんどのアプリケーションで顕著なパフォーマンス向上が見られました。マルチメディアエンコードや特定のゲームでは特に効果が高く、Extreme EditionはPentium 4や2つのAthlon 64バリアントをも凌駕しました。ただし、Athlon 64（特に非FXバージョン）は価格が安く、パフォーマンスもバランスが取れているため、一般的にはよりコストパフォーマンスに優れていると見なされていました。とはいえ、Extreme Editionは、既存のPentium 4をあらゆる主要ベンチマークで上回っていたAMDが、新型Athlon 64でパフォーマンスの王者になるのを阻止するという、Intelの明らかな目的を達成しました。

2004 年 1 月に 3.4  GHz バージョンが Socket 478 用にリリースされ、2004 年夏には新しい Socket 775 ( LGA 775  ) を使用して CPU がリリースされました。2004 年後半にはバス速度を 800 MT/sから 1066 MT/s に上げることでパフォーマンスがわずか に向上し、3.46  GHz Pentium 4 Extreme Edition が誕生しました。ほとんどの指標では、これはクロックあたりの性能でこれまで製造されたシングルコア NetBurst プロセッサの中で最速であり、多くの後継チップ (デュアルコア Pentium D を​​除く) をも凌駕していました。その後、Pentium 4 Extreme Edition は Prescott コアに移行されました。新しい 3.73  GHz Extreme Edition は 6x0 シーケンス Prescott 2M と同じ機能を備えていましたが、 バス速度は 1066 MT/s でした。しかし実際には、3.73  GHz Pentium 4 Extreme Editionは、3.46 GHz Pentium 4 Extreme Editionよりもほぼ常に低速であることが判明しました 。これはおそらく、L3キャッシュの欠如と命令パイプラインの長さが原因です。3.73 GHz Pentium 4 Extreme Editionが 3.46  GHz Pentium 4 Extreme Editionよりも優れていた唯一の点は、64ビットアプリケーションを実行できることでした。これは、GallatinベースのPentium 4 Extreme Editionプロセッサはすべて、Intel 64（当時はEM64Tとして知られていた）命令セットを搭載していなかったためです。

特にAMDがプロセッサ性能競争でほぼ完全な支配力を誇っていた時期に発売されたため、決して売れ行きが好調とは言えませんでしたが、Pentium 4 Extreme EditionはIntelの製品ラインにおいて、Intelチップが提供する最高レベルの仕様を備え、オーバークロックを容易にするための倍率ロック解除機能も搭載した、エンスージアスト向けのチップという新たな地位を確立しました。その後、この役割はPentium Extreme Edition（デュアルコアPentium Dのエクストリーム版）、Core 2 Extreme、Core i7、Core i9へと引き継がれています。

しかし、一般的に信じられていることとは異なり、Socket 478版のPentium 4 Extreme Edition CPU（例えば、Socket 478用のGallatinベースのPentium 4 Extreme Editionなど）はすべて倍率が固定されており、フロントサイドバスの速度を上げない限りオーバークロックはできません（フロントサイドバスの速度を上げると、信頼性や安定性の問題など、不安定な動作を引き起こす可能性があります）。倍率がロック解除されているのは、Socket 775/LGA 775版のPentium 4 Extreme Edition、およびPentium Extreme Edition（Smithfield）とエンジニアリングサンプルCPUのみです。

2004 年 2 月 1 日、インテルは Prescott というコードネームの新しいコアを発表しました。このコアは、初めて90 nm プロセスを採用しており、あるアナリストはこれを「 Pentium 4 のマイクロアーキテクチャの大幅な再設計」と評しました。 ^{[ 30 ]}この大幅な変更にもかかわらず、パフォーマンスの向上は一貫していませんでした。一部のプログラムは Prescott の 2 倍のキャッシュと SSE3 命令の恩恵を受けましたが、他のプログラムはパイプラインが長くなったことで悪影響を受けました。Prescott のマイクロアーキテクチャは、わずかに高いクロック速度を可能にしましたが、インテルが予想していたほど高くはありませんでした。量産された Prescott ベースの Pentium 4 の最速モデルは 3.8  GHz で動作しました。Northwood は最終的に Willamette より 70% 高いクロック速度を達成しましたが、Prescott は Northwood より 12% しか向上しませんでした。Prescott がより高いクロック速度を達成できなかったのは、プロセッサの非常に高い消費電力と発熱が原因とされています。このため、このプロセッサはフォーラムで「PresHot」というニックネームで呼ばれるようになった。^{[ 31 ]}実際、Prescottの電力と熱特性は、同じ速度のNorthwoodよりもわずかに高いだけで、GallatinベースのExtreme Editionとほぼ同等だったが、これらのプロセッサはすでに熱的に許容できる限界に近い状態で動作していたため、これは依然として大きな問題だった。^{[ 32 ]}

Prescottの発売は、 LGA 775とBTXフォームファクターの登場と同時期であり、これらも批判の的となった。テストの結果、LGA 775用のPentium 4は、ソケット478パッケージの全く同じチップよりも消費電力と発熱量が多いことが判明した。一方、BTXフォームファクターは、CPUからの熱風をグラフィックカードのヒートシンク/ファンに直接吹き付けるなど、他のコンポーネントや懸念事項を犠牲にしてPrescottの発熱量を管理するためだけに設計された兆候が見られた。これらのことが、Prescottが過度に発熱するチップであるという認識をさらに強めた。

Prescott Pentium 4は1億2500万個のトランジスタを搭載し、ダイ面積は112  mm ²です。^{[ 33 ] [ 34 ]} これは7層の銅配線を備えた90 nmプロセスで製造されました。^{[ 34 ]}このプロセスには、歪みシリコントランジスタや、有機ケイ酸塩ガラス（OSG）としても知られる低κ炭素ドープ酸化シリコン（CDO）誘電体などの特徴があります。 ^{[ 34 ]} Prescottは最初にD1C開発工場で製造され、後にF11X生産工場に移されました。^{[ 34 ]}

 当初、Intel は Socket 478 で 2 つの Prescott ラインをリリースしました。800 MT/s FSB とHyper-Threading をサポートするE シリーズと、533 MT/s FSB と Hyper-Threading が無効になっているローエンドの A シリーズ です。LGA 775 Prescott CPU は、5xx シリーズとしてラベル付けされる評価システムを使用しています (Celeron D は 3xx シリーズ、Pentium M は 7xx シリーズです)。E シリーズの LGA 775 バージョンはモデル番号 5x0 (520～560) を使用し、A シリーズの LGA 775 バージョンはモデル番号 5x5 と 5x9 (505～519) を使用します。最速の 570J と 571 は 3.8  GHz で動作します。 Intelは4GHz Pentium 4の量産計画を 中止し、デュアルコアプロセッサに注力したが、一部のヨーロッパの小売業者は4GHzで動作するPentium 4 580を販売していると主張していた 。EシリーズのPrescott、およびローエンドの517と524は、ビデオ編集などマルチスレッドソフトウェアを使用する一部の処理を高速化するためにハイパースレッディングを採用している。

Prescott マイクロアーキテクチャは、Intel 64 をサポートするように設計されました。Intel 64 は、AMD が開発したx86-64 64 拡張の x86 アーキテクチャに対する Intel の実装ですが、初期モデルでは 64 ビット機能が無効になっていました。Intel は、小売チャネルで 64 ビット CPU をリリースするつもりはなく、代わりに 64 ビット対応の F シリーズを OEM にのみリリースすると述べていました。^{[ 35 ]}しかし、後に 5x1 シリーズとして一般にも提供されるようになりました。533 MHz FSB 速度の、Intel 64 対応のローエンド Prescott もいくつ かリリースされました。

Prescott シリーズの E0 ステッピングでは、XD ビット機能が導入されました。^{[ 36 ]}この技術は、AMD によって x86 アーキテクチャにNX (No eXecute)として導入され、特定の種類の悪意のあるコードがバッファオーバーフローを悪用して実行されるのを防ぐのに役立ちます。XD ビットをサポートするモデルには、5x0J および 5x1 シリーズのほか、ローエンドの 5x5J および 5x6 があります。

Prescottプロセッサは、すべてのPentium Dプロセッサと同様に、SSE3をサポートする最初のプロセッサです。

Pentium 4 の最終改訂版はCedar Millで、2006 年 1 月 5 日にリリースされました。これは Prescott ベースの 600 シリーズ コアを65 nmにダイ シュリンクしたもので、実際の機能追加はありませんでしたが、消費電力が大幅に削減されました。Cedar Mill はPentium D Presler改訂版と密接に関連しており、各 Presler CPU は同じチップ パッケージ上に 2 つの Cedar Mill コアで構成されています。^{[ 43 ]} Cedar Mill は、 TDPが 86 Wで Prescott よりも発熱量が低くなっています。2006 年後半の D0 ステッピングにより、これは 65 ワットに削減されました。65  nm コアを持ち、Prescott と同じ 31 段パイプライン、800  MT/s FSB、Intel 64、Hyper-Threadingを備えていますが、仮想化テクノロジーはありません。Prescott 2M と同様に、Cedar Mill も 2  MB の L2キャッシュを備えています 。

Intel は当初、VT-x対応の Cedar Mill プロセッサを 633 ～ 663 のモデル番号で 4 つ発表しましたが、^{[ 44 ]}これらは後にキャンセルされ、VT-x 非対応のモデル 631 ～ 661 に置き換えられました。モデル番号に追加された 1 は、 同じ周波数で動作する 90 nm Prescott コアと区別するためのものです。^{[ 45 ]} Cedar Mill プロセッサの周波数は 3.0 ～ 3.6  GHz で、Prescott ベースの 670 および 672 の最大 3.8  GHz より低くなっています。オーバークロッカーは、液体窒素冷却を使用してこれらのプロセッサで 8  GHz を超えることに成功しました。^{[ 46 ]}

「シーダーミル」という名称は、オレゴン州ヒルズボロにあるインテルの施設近郊の、法人化されていないコミュニティであるシーダーミル（Cedar Mill, Oregon）を指している。