Benutzer:Ruscsi/Pentium II

Pentium II-Prozessor

Rückseite eines geöffneten Klamath-Prozessormoduls. In der Mitte der Cache-Controller, links und rechts Cache-Bausteine

Beim Pentium II handelt es sich um eine CPU der sechsten Generation x86-kompatibler Prozessoren aus dem Hause Intel.

Geschichte

Der Pentium Pro

Der Pentium II ist eine Weiterentwicklung des Pentium Pro. Zum einen war dieser aufgrund seines aufwendig gefertigten Gehäuses mit zwei integrierten Silizium-Chips (dem eigentlichen CPU-Kern und dem L2-Cache) recht teuer, zum anderen konnte er seine Stärken nur bei der Ausführung von 32-Bit-Anwendungen unter 32-Bit-Betriebssystemen wie Windows NT, OS/2 Warp oder diversen Unix-Derivaten voll entfalten. So etablierte sich der Pentium Pro vornehmlich im professionellen Umfeld als Server- und Workstation-CPU und überall, wo hoher Datendurchsatz oder hohe Rechenleistung gefordert waren. Im Massenmarkt, der zu dieser Zeit noch von 16-Bit-Anwendungen unter DOS, Windows 3.x oder Windows 95 geprägt war, konnte der Pentium Pro sein Potential ohnehin nicht entfalten, denn die Ausführung von 16-Bit-Code ist nicht seine Stärke. Man spricht auch von der „16-Bit-Schwäche des Pentium Pro“. All das disqualifizierte den Pentium Pro als Thronfolger des erfolgreichen Pentium, weshalb Intel ihn – trotz oder sogar wegen seiner fortschrittlichen Technologie – von Anfang an im professionellen Hochpreissegment vermarktete, während man für den Consumer-Markt den Pentium weiterentwickelte.

Konkurrenzdruck

Als der Pentium Pro im November 1995 antrat, den professionellen x86-Markt zu erobern, war der Pentium im Massenmarkt bereits etabliert. Er lief auf Mainboards, die einen Sockel mit der Bezeichnung Sockel 5 oder Sockel 7 besaßen und für die ausschließlich Intel die Chipsätze lieferte. Und die Zahl der verkauften Sockel-5- und Sockel-7-Mainboards stieg. Das weckte Begehrlichkeiten bei Intels Konkurrenz, die sich bisher damit zufrieden gegeben hatten, den 486-Markt mit schnellen CPUs zu bedienen. 1995 kündigten Cyrix und AMD schließlich an, eigene CPUs für den Sockel 7 bauen zu wollen und auch viele Chipsatz-Hersteller wollten den wachsenden Markt nicht allein Intel überlassen. Im Laufe des Jahres 1996 machte dann die recht leistungsfähige 6x86-CPU von Cyrix Intel zunehmend das Leben schwer und auch AMD verdeutlichte mit dem verhältnismäßig leistungsschwachen K5 zumindest seinen Anspruch, im Markt der Sockel-7-CPUs mitzumischen. Und zu allem Überfluss brachten VIA, ALi und SiS dann auch noch eigene Sockel-7-Chipsätze auf den Markt. Intel stand zunehmend unter Druck. Mit einer neuen Version des Pentium, dem Pentium MMX, konnte man im Januar 1997 die Messlatte zwar zunächst etwas höher hängen, aber die Konkurrenz war bestrebt, auch diese Hürde zu nehmen. Für Intel wurde es höchste Zeit einen technologischen Sprung vorzulegen, dem die Konkurrenz nicht ohne weiteres folgen konnte. Im Mai 1997 präsentierte Intel dann endlich den lange ersehnten Thronfolger des Pentium, den Pentium II.

Technik

Vom Pentium Pro zum Pentium II

Um die Technologie des Pentium Pro fit für den umkämpften Massenmarkt zu machen, dürften die wichtigsten Entwurfsziele beim Pentium II die Beseitigung der 16-Bit-Schwäche und die Reduzierung der Fertigungskosten gewesen sein. Und da das Intel-Marketing nicht müde wurde zu betonen, die multimediale Zukunft sei ohne MMX nicht denkbar, durfte dem Pentium II natürlich auch diese mit dem Pentium MMX eingeführte Befehlssatzerweiterung nicht fehlen.

Während die Beseitigung der 16-Bit-Schwäche, die Integration der MMX-Befehle und diverse Verbesserungen und Erweiterungen am CPU-Kern damals bereits „übliche“ Methoden im Rahmen der Produktpflege und der Weiterentwicklung einer CPU waren, erforderte die kostengünstige Integration eines großen L2-Caches in das CPU-Gehäuse bei der damals verfügbaren Technologie ein vollkommen neues Konzept.

Slot-1-Steckplatz auf einer Hauptplatine

Der Slot 1 und die Bauform der CPU

Letztendlich haben sich die Intel-Ingenieure für eine – wie wir heute wissen – Interims-Lösung entschieden: Man lötete den eigentlichen CPU-Baustein zusammen mit dem Cache-Controller und handelsüblichen SRAM-Bausteinen als Cache auf eine Leiterplatte, die an einer der Längskanten einen doppelseitigen, zweireihigen Kontaktkamm besitzt, über den die Verbindung zur Hauptplatine hergestellt wird. Dem zugehörigen Steckplatz gab Intel den Namen Slot 1. Die Platine selbst wurde in einem Einsteck-Modul untergebracht, dessen Bauform Intel Single Edge Connector Cartridge, kurz: SECC nannte. Späte Versionen des Pentium II sowie mehrere Modelle des Pentium III verwenden statt der SECC-Bauform die kostengünstigere Weiterentwicklung mit der Bezeichnung SECC2. Die SECC2-Bauform gestattet auch eine bessere Kühlung, da der Kühlkörper direkt auf die zu kühlenden Bausteine montiert werden konnte.

Die CPU-Halterung auf dem Mainboard ist abhängig von der Bauform des CPU-Moduls und des Kühlkörpers, was nicht selten zu mechanischen Inkompatiblitäten führt, insbesondere da der vom Pentium II abgeleitete Celeron, der zumeist in denselben Slot-1-Mainboards läuft wie sein großer Bruder, eine weitere, mechanisch inkompatible Modul-Bauform mit der Bezeichnung Single Edge Processor Package, kurz: S.E.P.P. einführte.

Wie bei vielen Neuerungen üblich, die mit althergebrachten Gewohnheiten brechen, erntete Intel für die neue CPU-Bauform auch Kritik. Das neue CPU-Modul galt als klobig, schwer zu kühlen und verschwendete angeblich zu viel Platz. Nichtsdestotrotz gewöhnten sich die Branche und ihre Kunden recht schnell an die zunächst ungewöhnlich erscheinende Bauform. In ähnlicher Form wurde die Bauform sogar 1999 von AMD für die frühen Modelle der Athlon-CPU übernommen, obwohl sich da bereits abzeichnete, dass Intel wieder zur altbewährten Sockel-Bauweise zurückkehren wollte.

Über die Gründe, die Intel letztendlich zu dieser ungewöhlichen Interims-Lösung veranlasst hat, kann man nur spekulieren:

Die beim Pentium Pro „erprobte“ Methode mit zwei Chips in einem klassischen CPU-Gehäuse hatte Intel vermutlich von vorneherein als zu teuer verworfen. Und auch die Integration des L2-Cache auf dem CPU-Die wäre bei der im Frühjahr 1997 verfügbaren 0,35-µm-Technologie wahrscheinlich kaum möglich gewesen. Bei der üblichen statischen 6-Transistor-Speicherzelle liegt der Mehraufwand für 512 KiB Cache-Speicher immerhin etwa bei 25 Millionen Transistoren allein für die Speicherzellen, wobei Cache-Verwaltung, Adressierungs-Logik, Tag-RAM, Multiplexer und vieles mehr noch nicht mit eingerechnet sind. Vermutlich hätte die Integration bereits von 256 KiB L2-Cache die benötigte Chipfläche (beim Kern des ersten Pentium II immerhin 203 mm²) in etwa verdoppelt. Da bei steigender Chip-Fläche die Produktionsausbeute unter Umständen deutlich sinkt und bei einem Chip dieser Größe auch mit erheblichen thermischen Problemen zu rechnen gewesen wäre, war dieser Weg vermutlich auch nicht gangbar.

Auch die Lösung mit einem L2-Cache auf dem Mainboard – wie beim Pentium und beim 80486 noch üblich – war nicht gangbar. Schon bei der Entwicklung des Pentium Pro war Intel offensichtlich klar, dass die Ausführungsgeschwindigkeit einer CPU erheblich von einer schnellen und exklusiven Anbindung des L2-Caches an den CPU-Kern profitiert. Und da elektrische Schnittstellen zudem immer genau spezifiziert werden müssen, viele Kontakte und lange Verbindungswege erfordern, technologisch schnell veralten und darüberhinaus störanfällig und somit langsamer sind, kam wohl auch diese Lösung nicht ernsthaft in Betracht, zumal sie wahrscheinlich erhebliche Veränderungen am Kern des Pentium-Pro-Designs erfordert hätte.

Möglicherweise hätte die im Spätsommer 1997 verfügbare 0.25-µm-Technologie zwar theoretisch die Integration des Caches auf dem CPU-Die gestattet, dies hätte aber bedeutet, dass Intel weiterhin dem enormen Konkurrenzdruck im Markt der Sockel-7-CPUs ausgesetzt gewesen wäre. Und da eine neue Technologie in der Anfangsphase sowieso erhöhte Ausschussquoten hat, hätten größere Chip-Flächen die Ausbeute wahrscheinlich nur weiter verschlechtert. Es wird seinen Grund gehabt haben, dass erst die in einem 0,18µm-Prozess hergestellte, zweite Generation des Pentium III mit dem Codenamen Coppermine die Integration von CPU-Kern und 256 KiB L2-Cache auf einem CPU-Die vollzog. Von da an wurde zusätzlich zur Slot-1-Bauform wieder eine Pentium-III-Variante und eine davon abgeleitete Celeron-Variante in FPGA-Bauweise für den neu geschaffenen Sockel 370 angeboten. Die letzte und gleichzeitig schnellste CPU für den Slot 1 war schließlich ein mit 1,13 GHz getakteter Pentium III Coppermine. Die letzte Version des Pentium III mit Codenamen Tualatin wurde nicht mehr für den Slot 1 angeboten.

Technik

Abgesehen von der neuen Bauform, brachte der Pentium II gegenüber dem Pentium Pro auch mehrere Veränderungen und Verbesserungen an der P6-Mikroarchitektur mit. Die auffälligste Veränderung dürfte dabei die Erweiterung des Kerns um die mit dem Pentium MMX eingeführte MMX-Befehlssatzerweiterung gewesen sein. Aber auch die Beseitigung der bereits genannten 16-Bit-Schwäche war ein wichtiges Ziel bei der Entwicklung des Pentium II.

16-Bit-Schwäche des Vorgängers

Das Datenblatt bezeichnet den Pentium II zwar als „optimized for 32-bit applications“, verschweigt aber, dass bei seine Entwicklung Maßnahmen ergriffen wurden, um die Mikroarchitektur seines Vorgängers Pentium Pro fit für die 16-Bit-Welt vieler DOS-, früher Windows- und Windows-9x-Anwendungen zu machen, die im Massenmarkt in der zweiten Hälfte der 1990er Jahre immernoch vorherrschend waren. Wie bereits erwähnt, hatte der Pentium Pro nämlich eine Schwäche bei der Ausführung von 16-Bit-Code.

Ursache

Diese 16-Bit-Schwäche des Pentium Pro hat ihre Ursache keineswegs – wie vielfach angenommen – in der ineffizienten Verarbeitung von 16-Bit-Befehlen oder Befehlen mit 16-Bit-Operanden. Vielmehr kann der Pentium Pro lediglich Schreibzugriffe auf so genannte Segmentregister nicht spekulativ ausführen. Spekulative Ausführung von Befehlen ist eins der Paradigmen moderner RISC-Mikroarchitekturen, wie der Pentium Pro eine besitzt. Ein Schreibzugriff auf ein solches Segmentregister bedeutet beim Pentium Pro, dass die Pipeline zunächst vollständig abgearbeitet werden muss, bevor der Schreibzugriff auf das Segmentregister ausgeführt werden kann: die Pipeline, der der Pentium Pro einen Großteil seiner Leistungsfähigkeit verdankt, gerät ins Stocken. Durchschnittlich sollen so bei jedem Schreibzugriff auf ein Segmentregister etwa 20 bis 30 CPU-Taktzyklen verloren gegangen sein. Aber warum wirkt sich diese „Segmentregister-Schreibschwäche“ grade bei der Verarbeitung von 16-Bit-Code derart negativ aus?

Auswirkungen

Tatsächlich betrifft die „Segmentregister-Schreibschwäche“ grundsätzlich auch 32-Bit-Betriebssysteme wie Windows NT, OS/2 Warp, Linux und BSD. Aufgrund eingeschränkter Adressierungsmöglichkeiten bei 16-Bit-Code macht sie sich aber besonders bei Betriebssysteme und Anwendungsprogramme bemerkbar, die ausschließlich oder in Teilen solchen Code verwenden. Aufgrund historischer Altlasten aus der frühen x86-Ära, auf die einzugehen hier zu weit führen würde, war nämlich der Schreibzugriff auf diese Segmenteregister unter MS-DOS-kompatiblen Betriebssystemen und den frühen Windows-Varianten die einzige Möglichkeit, Einschränkungen beim Zugriff auf Datenmengen größer 64 KiloByte zu umgehen; ja: selbst Windows 3.x und die Betriebssysteme der Windows-9x-Reihe machten intern massiv Gebrauch von diesen Befehlen. Auch wenn letztere die Ausführung von 32-Bit-Software prinzipiell unterstützten und sie sogar als 32-Bit-Betriebssysteme beworben wurden, verwendeten sie selbst und viele darauf laufende Anwendungen nach wie vor 16-Bit-Code.

Beseitigung

Um das Stocken der Pipeline bei Schreibzugriffen auf Segmentregister beim Pentium II zu beseitigen, bezogen die Intel-Ingenieure die Segmentregister in das so genannte Register-Renaming mit ein. So konnten sich gleichzeitig in Abarbeitung befindliche Befehle sowohl auf den alten, wie auch auf den neuen Wert eines Segmentregister beziehen, was eine sequenzielle Abarbeitung des Segmentregister-Schreibzugriffs überflüssig machte. Schreibzugriffe auf Segmentregister konnten nun ohne Verzögerung abgearbeitet und bei Bedarf auch wieder verworfen werden. Der Performance-Gewinn gegenüber dem Pentium Pro soll nach Intel-Angaben bei 16-Bit-Anwendungen bei 8 bis 10 Prozent liegen.

Modelle

Klamath

Die im Mai 1997 vorgestellte, ersten Version des Pentium II mit Codenamen „Klamath“ erlaubte Taktraten von 233, 266 und 300 MHz und erzeugte für damalige Verhältnisse eine Menge Abwärme. Ursache war der zu dieser Zeit bereits etwas „angestaubte“ 0,35-µm-Herstellungsprozess, der eine Kernspannung von 2,8 Volt erforderlich machte und der ebenfalls für die recht geringe Front-Side-Bus-Frequenz von 66 MHz verantwortlich zeichnete.

Neu hinzu kamen die neuen – mit dem Pentium MMX eingeführten – MMX-Befehle und die beiden Befehle SYSENTER und SYSEXIT, durch die sich Systemaufrufe erheblich beschleunigen ließen.

Dass das Design des Pentium II deutlich mehr Potenzial bot, zeigte bereits die zweite Version mit Codenamen Deschutes.

des CPU-Designs zurück. Gegenüber dem Nachfolger waren beim Klamath die Multiplikatoren nicht fest verdrahtet (gelockt): Bei den meisten Prozessoren ließen sich kleinere Multiplikatoren nutzen, so dass ein Pentium II 300 mit 3 × 100 (statt 4,5 × 66) laufen konnte, ohne ihn zu übertakten. Bei einigen Modellen ließ sich der Multiplikator auch erfolgreich nach oben hin ändern.

Im Januar 1998 hatte der Pentium II „Deschutes“ mit 333 MHz seine Premiere. Er wurde in einem 0,25µm-Prozess hergestellt und brauchte nur noch 2,0 Volt Kernspannung, was zu einer wesentlich geringeren Wärmeabgabe führte. Die Unterstützung für 100 MHz FSB ab dem Modell mit 350 MHz brachte ansehnliche Leistungsgewinne. Erstmals war es möglich, mit dem L2-Cache mehr als 512 MB RAM anzusteuern (bis zu 4 GB). Im Laufe des Jahres wurden Pentium II-Prozessoren mit 350, 400 und 450 MHz veröffentlicht. Um Übertaktung schwieriger zu machen, war bei fast all diesen Prozessoren der Multiplikator intern fest verdrahtet.

Eine Besonderheit war der Deschutes-Prozessor der Baureihe SL2W8 (siehe Bild oben), der mit nur 66 MHz FSB und 300 MHz Kerntakt lief. Diese Prozessoren entwickelten sich in der Übertakter-Szene schnell zu einem Geheimtipp, da viele von ihnen mit den gleichen Cache-Bausteinen ausgerüstet waren, die auch beim 450-MHz-Deschutes verwendet wurden. Da jeder Deschutes-Kern mit 100 MHz FSB betrieben werden konnte, war es in vielen Fällen möglich, den SL2W8 bis über 450 MHz zu übertakten.

Zusätzlich zum Pentium II wurde erstmals eine leistungsreduzierte Variante des Prozessors für das Niedrigpreis-Segment angeboten, der Intel Celeron. Hauptunterschied zu einem vollwertigen Pentium II waren Änderungen am L2-Cache (erst gar keiner und dann 128 KB) und der generell auf 66 MHz beschränkte FSB-Takt. Zusammen mit dem Pentium II wurde der neue SDRAM eingeführt, der das EDO-DRAM ablöste, und der AGP-Bus als schnelle Verbindung zur Grafikkarte.

Modelle-Übersicht

Klamath (A80522)=

• L1-Cache: 16 + 16 KB (Daten + Instruktionen)
• L2-Cache: 512 KB, vier externe Cachebausteine auf CPU-Modul mit halbem Prozessortakt
• MMX
• Slot 1, GTL+ mit 66 MHz Front Side Bus
• Betriebsspannung (VCore): 2,8V
• Erscheinungsdatum: 7. Mai 1997
• Fertigungstechnik: 0,35 µm
• Die-Größe: 203 mm² bei 7,5 Millionen Transistoren
• Taktraten: 233, 266 und 300 MHz

Pentium II Deschutes (A80523)

• Mikroarchitektur: P6
  • L1-Cache: 16 + 16 KiB (Daten + Instruktionen)
  • L2-Cache: extern, 512 KiB auf CPU-Modul, angebunden mit halbem Prozessortakt
  • Besonderheiten: MMX
  • Busschnittstelle: Slot 1
  • Busprotokoll: GTL+ mit 66 und 100 MHz Front Side Bus
• Betriebsspannung (VCore): 2,0V
• Erscheinungsdatum: 26. Januar 1998
• Fertigungstechnik: 0,25 µm CMOS
• Transistorzahl: 7,5 Millionen
• Die-Größe: 131 mm², später 118 mm²
• Taktraten: 266 bis 450 MHz
  • 66 Mhz FSB: 266, 300, 333 MHz
  • 100 MHz FSB: 350, 400, 450 MHz

Siehe auch

• Liste von Mikroprozessoren
• AMD K6-2
• Cyrix 6x86MX
• Cyrix MII
• NexGen Nx686
• Rise mP6-II
• IDT/Centaur WinChip 2/2A/2B

Weblinks

Commons: Pentium II – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

• Der Pentium II bei intel.com