Intels Pentium 4 Prescott im Detail

Mikroarchitektur-Erweiterungen

Hohe Taktfrequenzen erfordern lange Pipelines, damit die einzelnen Pipeline-Stufen möglichst einfach ausfallen. Für viele unerwartet, musste Intel die Pipeline beim Prescott auf 31 Stufen verlängern und schlägt damit den bisherigen Spitzenreiter Northwood mit seinen 20 Stufen um einiges. Je länger jedoch eine Pipeline ist, desto dramatischer sind die Auswirkungen auf die Performance, wenn die Pipeline ins Stocken gerät. Daher hat Intel nicht nur den Cache vergrößert, sondern auch sonst etliches optimiert, damit der Prescott wenigstens die Leistung eines gleich schnell getakteten Northwood erreicht.

So ist die Sprungvorhersage - wie seit Jahren bei jedem neuen Core - wieder einmal "deutlich" verbessert. Sie soll auch im Falle einer Programmverzweigung für einen stetigen Nachschub an Befehlen sorgen und so die extrem lange Pipeline des Prescott einigermaßen auslasten. Konkret hat Intel in Analysen bestehender Programme festgestellt, dass bedingte Sprünge nach hinten im Code meist dann zu einer Schleife gehören, wenn die Sprungweite unter einem Grenzwert liegt. In diesem Fall geht die Sprungvorhersage daher beim ersten Durchlauf davon aus, dass der Sprung stattfindet. Andernfalls plant sie eine Programmausführung ohne den Sprung. Laut Intel tritt mit der neuen Branch-Prediction je nach Anwendung nur noch alle 100 bis 1000 Befehle ein falsch vorhergesagter Sprung auf.

Optimiert ist auch der Hardware-Prefetch. Er erkennt, wenn ein Programm etwa ein Array abarbeitet und in einem festen Rhythmus auf einen Speicherblock zugreift. Der Prefetcher lädt dann die Daten eigenständig und vorab in den L2-Cache. Mit Hardware-Prefetch sollen meist über zehn Prozent mehr Performance möglich sein. Nutzt ein Programm - wie im wissenschaftlichen und im Spielebereich üblich - intensiv Arrays, kann der Performance-Gewinn bis zu 100 Prozent betragen.

Entgegen ersten Erwartungen hat Intel die Anzahl virtueller CPUs beim Hyper-Threading nicht erweitert, es bleibt bei zwei Stück. Auch die 64-Bit-Erweiterung namens Yamhill oder gar eine x86-64-Kompatibilität zu AMDs Opteron und Athlon 64 erweisen sich im Nachhinein als Wunschtraum.

Als schwacher Trost ist die Integer-Multiplikation mit dem imul-Befehl ein paar Takte schneller geworden. Sie läuft jetzt in einer eigenen Hardware-Unit und behindert nicht länger Floatingpoint-Berechnungen. Auch die Shift- und Rotate-Befehle für Integer-Werte hat Intel beschleunigt. Zusätzliche Buffer sorgen für einen höheren Durchsatz. Die Store-Buffer hat Intel gegenüber dem Northwood von 24 auf 32 erhöht, die Write-Combine-Buffer von sechs auf acht. Vier zusätzliche Floatingpoint-Scheduler-Buffer beschleunigen die Fließkommaeinheit.

Evolution, nicht Revolution: Prescott ist eine konsequente Weiterentwicklung der NetBurst-Architektur des ersten Pentium 4 mit Willamette-Core. (Quelle: Intel)
Evolution, nicht Revolution: Prescott ist eine konsequente Weiterentwicklung der NetBurst-Architektur des ersten Pentium 4 mit Willamette-Core. (Quelle: Intel)

Umstritten ist die im Bild als "La Grande Support" bezeichnete Erweiterung. Sie soll einen abgesicherten Programmablauf (Secure Computing) ermöglichen und beispielsweise Programme und Threads voreinander schützen. Im Grunde integriert sie das Konzept Trusted Computing Group (TCG, ehemals TCPA) in der CPU, geht aber noch weit darüber hinaus. So soll es durch La Grande keinem auch noch so hoch privilegierten Programm mehr erlaubt sein, auf Daten oder Code einer anderen Anwendung zuzugreifen.

La Grande bietet dazu die Möglichkeit, geschützten Code in einer isolierten Umgebung in der CPU und im Speicher laufen zu lassen. Nachträgliches Debugging, Reverse Engineering oder das Patchen zur Laufzeit durch Maleware ist somit ausgeschlossen. Selbst die Kommunikation mit Eingabegeräten wie der Tastatur und der Maus erfolgt bei La-Grande-Programmen über kryptographisch abgesicherte Pfade. Für La Grande sind jedoch auch umfangreiche Änderungen am Chipsatz und am Betriebssystem nötig.

Erstmals zum Einsatz dürfte La Grande beim Windows-XP-Nachfolger Longhorn kommen. Microsoft hat darin den Ansatz aufgegeben, Windows komplett sicher zu machen. Stattdessen teilt Longhorn den PC virtuell in zwei Hälften: in eine mit normalem, unsicherem Windows und in eine mit eigenem Sicherheits-Kernel namens Nexus. Nexus schottet sich gegen den Rest des PCs ab und besitzt sogar einen eigenen Hardware Abstraction Layer, genannt NAL. In Nexus sollen dann ausgewählte Programme wie Homebanking "absolut sicher" ablaufen können.

Zunächst wird es von Prescott wohl nur für Entwickler spezielle Versionen mit La-Grande-Technik geben - die im Handel erhältlichen Prescott-Prozessoren werden vorerst ohne La-Grande-Support ausgeliefert. Später plant Intel nach derzeitigem Stand, Prescott-CPUs mit und ohne La-Grande-Technik anzubieten. Laut uns vorliegenden Statements soll aber auch bei den Prescott-CPUs mit La Grande der Anwender wie einst bei der umstrittenen Seriennummer der CPU selbst entscheiden können, ob diese Funktion aktiviert sein soll oder nicht.