Der INTEL^® Pentium^® 4 Prozessor

Zusätzlich können in den hunderttausenden von Schaltkreisen eines Prozessors auch Dioden, Widerstände und Dielektrolytkondensatoren integriert sein. Dadurch wird eine Fülle von Schaltkreisen geschaffen, die die verschiedensten Anwendungen haben. Doch die Schaltkreise die einmal angesprochen wurden, werden nicht ewig gebraucht. Deshalb bringt ein Taktgeber aus Quarz über 2 Milliarden mal in der Sekunde neue Signale, die dazu führen, das verschiedene Schaltkreise angesprochen werden. Dadurch kann man den Prozessor die verschiedensten Aufgaben erledigen lassen.

Die Taktrate erhöht man um soviel Befehle wie möglich in einer so kurzen Zeit wie möglich zu verarbeiten. Doch der Prozessor braucht eine gewisse Anzahl von Taktzyklen um z. B. 100 Befehle auszuführen. Dabei wäre die Erhöhung der Taktfrequenzen gar nicht das Problem, aber die Schaltktkreise im Prozessorsystem bringen den Elektronen auch einen gewissen Widerstand entgegen. Andere Prozessoren sind nicht sensibel genug um z. B. 10 Befehlssignale aus einem Taktzyklus wahrzunehmen. Zu einer Takterhöhung muss also das System optimal darauf zugeschnitten sein. In manchen Fallen nützt eine Erhöhung der Taktfrequenz nicht einmal etwas, weil die Gesamtarchitektur zwar kompatibel aber nicht optimiert ist. Laut INTEL^® passt zum Pentium^® 4 das dazu entwickelte INTEL^® i850 Chipset. Dadurch soll ein Takt von bis zu 2,2 GHz auch zusätzliche Leistung bringen. Doch vom Pentium^® 4 gibt es verschiedene Varianten, von 1,3 GHz bis 2,2 GHz. Diese sind unterschiedlich teuer. Durchschnittlich zahlt man für 1 MHz in der Pentium^® 4 Serie rund 0,30 Euro.

Doch die meisten Komponenten im Pentium^® 4-Prozessor arbeiten nicht mit dem Takt, die der Prozessor nach außen hin leistet. Der Systembus im Prozessor arbeitet nur mit 400 MHz.  Durch einen ''clock lower'' wird die Taktrate auf 400 MHz gedrosselt. Und weil somit mehr Daten reinkommen als  verarbeitet werden können, werden überall vor den einzelnen Arbeitseinheiten Pufferspeicher davorgestellt. Für INTEL^® ist das Herstellen von solchen Speichereinheiten kein Problem, denn am Anfang hat INTEL^® nur Speicherbausteine hergestellt.

Dagegen werden z. B. die beiden ALU’s im Pentium^® 4 mit der doppelten Taktfrequenz getaktet, d. h. wenn man das nötige Kleingeld hat, um sich einen Pentium 4 mit 2,2 GHz zu leisten, takten die ALU’s mit 4,4 GHz. Deshalb wird der Pentium^® 4 in Sachen Integerrechnung auch als Rapid Execution Engine (Schnelle Verarbeitungsmaschine) bezeichnet. Und apropos Kleingeld. Wenn man sich die 2,2 GHz Version leisten kann, kauft man automatisch einen doppelt so großen 2^nd Level Cache noch dazu der 512 KB, statt 256 KB groß ist. Damit werden die Zugriffszeiten auf Daten die sich in den Caches befinden zwar nicht verkürzt, aber man bekommt mehr in den Prozessor und gewinnt somit unterm Strich erheblich viel Zeit. Doch auch die 1,5 GHz Version vom Pentium 4 ist sein Geld wert, den der 2^nd Level Cache schafft einen Datentransfer von 48 Gb/sek.

Auch zeitsparend ist die neue Hyper Pipeline Technologie, auch NetBurst? genannt. Dadurch ist es möglich zeitaufwendige Befehle parallel zu verarbeiten. Dabei werden die Befehle bzw. Befehlsteile in einen 256 Bit großen Puffer eingelesen und in zwei 32 Bit Pipelines weitergeleitet. Dadurch werden sie bearbeitet und zwar parallel. Damit können im Pentium 4 20 Befehle parallel verarbeitet werden.

Die Advanced Dynamic Execution ist die Befehlsvorhersageeinheit im Pentium^® 4. Diese Prüft 126 Befehle und in den Pipelines 48 Eingaben und 24 Speicherungen. Dadurch ist eine oft richtige Befehlsvorhersage möglich. Auf jeden Fall liegt die Fehlerquote um 33 % niedriger als bei der Vorhersageeinheit im Pentium 3.

Beim INTEL^® Pentium^® 4 Prozessor handelt es sich um einen RISC Prozessor, wie es bei den heutigen Prozessoren üblich ist (Jedoch arbeitet der Pentium 4 auch mit dem CISC-Befehlssatz. Innerhalb des Prozessors werden diese Befehlssätze umgewandelt). Der Prozessor verwendet also einen verringerten Befehlssatz und ist somit leichter zu programmieren.

Wichtiges zu Prozessoren/Auswechseln von Prozessoren:

Der Pentium 4 ist ein STD-Typ, d. h. er benötigt eine Betriebsspannung von 3,3 - 3,4 Volt. VRE Typen benötigen Betriebsspannungen zwischen 3,4 - 3,6 Volt. Pentium^® Prozessoren mit MMX^® Technologie können nur auf Hauptplatinen mit Split Voltage Technologie betrieben werden, denn diese Prozessoren arbeiten intern mit 2 verschiedenen Spannungen. Wenn auf dem Prozessor ein
''S'' aufgedruckt ist, handelt es sich um einen STD-Typ (Standard). Bei einem ''V'' ist es ein VRE-Typ.

Der Hauptprozessor fällt im Rechner-Innenleben vor allem durch seine enorme Anzahl von Kühlmöglichkeiten auf, die sich auf ihm befinden. In den neueren Motherboards und beim ATX Layoutformat standardmäßig, befindet sich der Hauptprozessor auf einem Sockel mit einem Hebel, so das ein leichtes und gewaltfreies Tauschen des Prozessors möglich ist. Diese nennt man auch ZIF-Sockel. Ein weniger verbreitetes Sockelsystem ist der LIF-Sockel. Hierbei benötigt man spezielles Hebelwerkzeug zum Austausch/Ausbau. Darüber hinaus gibt es Sockelformate, z. B. Sockel 7 oder Sockel 5. Diese haben verschiedene Eigenschaften z. B. mit der Spannungsversorgung, Aufnahmekapazität für Pins,...

Doch nur mit dem Herausnehmen des alten Prozessors und einsetzen des neuen ist es nicht getan. Manchmal ist ein Austausch gar nicht möglich und manche Hauptplatinen sind sehr wählerisch.

Wenn man ältere Prozessoren besitzt, kann ein Tausch mit einem schnelleren Prozessor noch nicht einmal möglich sein. Bei einem 386er z. B. sind die Systemkomponenten so veraltet, das es dafür gar keine Austauschprozessoren gibt. Auch beim 486er gibt es Einschränkungen. Man kann bei solchen PC-Systemen noch nicht einmal einen schnelleren 586er bzw. Pentium einbauen, denn Hauptplatinen einer Prozessorgeneration, nehmen nur Prozessoren der selben Generation an. In Falle des alten 486er kann man nur einen schnelleren 486er einbauen, aber beispielsweise keinen Pentium. Abhilfe schaffen da nur Upgrade-Kits. Doch in den meisten Fällen springt hierbei am Ende kein Tempogewinn heraus, denn die restlichen Systemkomponenten sind nicht auf das Prozessor-Upgrade optimiert. Dann muss man auch gleich den Hauptspeicher erweitern, neue Steckkarten kaufen und am Ende hat man gar keinen Platz mehr für die neusten Zusatzkarten. Somit würde sich ein Aufrüsten unterm Strich gar nicht mal mehr lohnen.

* Diese Prozessoren benötigen eine Versorgungsspannung mit 3,3 Volt. (Tabelleninhalt zitiert von PC Tuning von Serges Medien)

Da sich die Prozessorclones seit Anfang der 90er Jahre mit dem Pentium durch Patentrechte verringert hat, kommen auch ständig neue Architekturen auf den Markt, die den Prozessortausch erschweren. Und mit der Regel, das auf ein Pentium^® Mainboard nur ein Pentium^® passt und kein Pentium 2 ist dann auch schluss (übrigens kommt es dann darauf an ob das Mainboard abwärtskompatibel oder aufwärtskompatibel ist). Intel versucht nämlich seinen Konkurrenten das Leben so schwer wie möglich zu machen, was dazu führt, das ein Pentium^® 2 Mainboard, nicht zu einem Pentium^® 3 kompatibel ist. Im allgemeinen gehört das Wechseln von Pentium Prozessoren zu den komplexesten Themen im Hardwarebereich.

Das Taktverhältnis eines Prozessors ist das von internem und externem Prozessortakt. Intern ist der in Prozessor selbst. Extern der, der für die Kommunikation zum Hauptspeicher zuständig ist, auch Systemtakt genannt.

Nun sind manche Systemtakte auf manchen Intel Boards voreingestellt und auf den Prozessor abgestimmt, der sich darauf befindet. Wenn sich dann das Taktverhältnis nicht ändern lässt, ist ein Upgrade nicht möglich. Zudem braucht man unbedingt das Handbuch zur Hauptplatine um die Upgrademöglichkeiten zu überprüfen. Manchmal ist es sogar so, das auf 1 Jahr alte Hauptplatinen nicht mehr der neuste Prozessor passt. Meistens helfen da nur teure Upgrade-Kits. Vor dem Austauschen des Pentium Prozessors, sollte man das Mainboard auf Einstellmöglichkeiten zum externen Systemtakt, auf die Spannungsversorgung, auf die Einstellmöglichkeiten zum Taktverhältnis und auf den Typ des Prozessorsockels überprüfen. Daraus ergeben sich dann die Upgade-Möglichkeiten. Wenn man dann z. B. des Sockel 7 auf den Mainboard hat, kann man keinen Prozessor für Sockel 5 kaufen.
Wenn dann der passende Prozessor gefunden ist, ist der Austausch nicht mehr schwer.
Kompliziert wird es wieder beim Anschalten des PCs. Wenn er beim Start einen anderen Prozessor anzeigt, ist das noch das geringste Problem, denn hierbei handelt es sich in den meisten Fällen nur um Schönheitsfehler. Der Prozessor taktet trotzdem voll.

Wenn nichts von Tempogewinn zu spüren ist, muss man die BIOS-Einstellungen ändern.

Sollte der Prozessor gar nicht erkannt werden, sollte man sich die wichtigsten Daten aus dem BIOS aufschreiben (z. B. Festplatten-Parameter, RAM-Timing Einstellungen,...), denn es ist eine Löschung sämtlicher BIOS-Daten nötig. Danach muss man das BIOS löschen (Decke auf, Steckbrücke rein, Computer an, Computer aus, Steckbrücke zurück, Computer an) und anschließend wieder die alten und die neuen Einstellungen eingeben.

Herstellung von Prozessoren:

Er wird in 0,13 Mikrometer Technologie gefertigt, d. h. jeder Transistor ist höchstens 0,13 Mikrometer breit. Damit man diese Maße exakt einhalten kann, gibt es 2 Möglichkeiten der Herstellung.

1. Das Ätzverfahren

2. Das Laser-Brennverfahren.

Beim Ätzverfahren wird als erstes eine Fotoschicht auf den Wafer aufgetragen, die sich bei Belichtung auflöst. Danach wird der Schaltplan des Prozessors auf winzige Ausmaße im Computer verkleinert und dann auf Spezialpapier gedruckt. Dieses wird dann auf den Wafer aufgebracht. Anschließend wird der Wafer auf dem sich das Layout befindet belichtet. Während der Belichtung kann das Licht durch die winzigen Ritze zwischen den Leitungen, die sich auf dem Layoutpapier befinden bis zur Fotoschicht durchdringen. An Stellen wo das Licht auftrifft, zersetzt es die Fotoschicht, dort soll nachher geätzt werden. Nach der Belichtung entfernen Mitarbeiter vorsichtig das Layoutpapier. Nachdem kommt der belichtete Wafer zur Entwicklung und wird dort in Spezialflüssigkeit eingetaucht. Dort wo das Licht nicht auftreffen konnte, färbt sich das Silizim schwarz und ist somit gegen die Säure geschützt. Dann kommt der Wafer ins Säurebad, wo dann die Leiterbanen, Widerstände und halbfertige Transistoren entstehen. Der Wafer kommt nach diesem Vorgang in eine Dotierungsmaschine, wo die jeweiligen Stellen mit Dioden oder Transistoren dotiert werden sollen. Dann wird der Wafer in ''Chips'' zerschnitten und kommt in das Prozessorgehäuse.

Das Laser-Brennverfahren braucht zwar nicht so viele Arbeitsschritte wie das Ätzverfahren, jedoch benötigt man hier spezielle Maschinen die sehr störanfällig sind und daher ständig gewartet werden müssen. Hierbei erstellt man ein Schaltlayout am Computer und sagt der Computergesteuerten Maschine, welche Größe das Layout haben soll. Kurz davor spannt man noch einen oder mehrere Wafer in den Bearbeitungsraum der Maschine. Anschließend brennt die Maschine nach Bestätigung durch den Mitarbeiter die Stellen heraus, wo beim Ätzverfahren die Säure angreifen würde. Durch ein verschieben der Brennlinse ist es hier leichter möglich auch Schaltungen übereinander anzufertigen. Nach der Bestrahlung müssen die Wafer aber trotzdem in die Dotierungsmaschine wie nach dem Ätzbad.

Natürlich ist die Herstellung von Prozessoren in der Praxis nicht so simpel wie hier erklärt, aber das Prinzip stimmt. In den Fertigungshallen müssen z. B. auch noch die Prozessorgehäuse vorgewärmt werden um bei Minustemperaturen das Prozessorinnenleben vor Korrosion zu schützen.

© by Stefan Landsiedel