五年磨一剑 奔腾战犹酣——奔腾4处理器抢鲜测试

电脑报评测实验室
2000年 第47期 

　　2000年11月20日，Intel正式发布了下一代处理器——奔腾4。这不仅仅是一款新产品的发布，它还标志着一个处理器新时代的开始，奔腾4可以说对Intel至关重要。《电脑报》评测实验室抢先取得奔腾4处理器和i850主板的测试样品，本周我们就和《电脑报》的读者一起来看看这款目前还难得一见的奔腾家族新成员。
#1    登场的契机
    从8086开始，大约每3～4年，Intel会将处理器的核心架构更新换代。目前市场上的Intel处理器都基于P6内核，从第一块基于P6核心的处理器——奔腾Pro问世以来，已经过了近五年时间。在这五年中，P6内核经过MMX和SSE两次指令集扩展，产品从低端的赛扬到高端的Coppermine，直到服务器专用的Xeon，真的算得上是物尽其用了。在Intel原来的计划中，继P6之后登场的是IA－64体系的P7（Merced）核心，令Intel难堪的是应该在1998年量产的Merced直到现在还没有搞妥当。并且，AMD推出的Athron处理器和EV6总线超乎Intel想象的厉害，其设计明显优于P6核心，凭借这一利器，AMD可以轻轻松松地同时在高低端市场和Intel展开全面竞争。更严重的问题是，在制程工艺相同的情况下，Athron可以比P6取得更高的时钟频率，而时钟频率正是Intel长期以来的绝对领先领域，可以说是最后一道防线，当1.13GHz奔腾Ⅲ出现问题时，这最后的一道防线似乎也要失守了。在这种情况下，Intel实在是需要一款新产品登场救急。幸运的是Intel有两套独立的处理器研发队伍，尽管研发P7团队遭到了挫折，另一研发团队还是可以及时地推出P67（Willamette）核心，它的第一款实用产品就是奔腾4。（如^47070201a^ 奔腾4和Coppermine处理器的正面，可以看到奔腾4的封装面积明显大于Coppermine，并且核心覆盖有金属散热片）
　　很难说奔腾4是一个周密策划的产品。这项计划最初只是为了把P7的x86指令扩展为64位，算是P7计划的一个部分，后来才转为开发出新一代32位x86内核。该计划原本的名称是P67，它在1998年正式归入Intel的规划表，代号：Willamette，当初人们甚至搞不清楚Willamette计划的目的所在。现在看起来，Intel倒是走了一步好棋：如果Merced能够正常运作，Willamette就是面向低端市场的主力产品，如果Merced出了什么状况（事实就是如此），Willamette还可以当作一条保险绳。（如^47070201b^ 奔腾4和Coppermine处理器的底面，注意奔腾4的针脚排列，四边的针脚列数并不相同）
#1    功能简介
#1    奔腾4
　　奔腾4的核心面积为217 mm2，是奔腾Ⅲ的两倍多，接近Athron的两倍，在核心中集成了4200万个晶体管。从核心面积大小显露出来的信息是奔腾4的产量不会太高，而且其价格可能不会太便宜。
　　它的针脚数为423针，比奔腾Ⅲ多出53针。问题是Intel会在Socket423上坚持多长时间呢？按计划，2001年下半年将会推出Socket478，那时Socket423会处于什么样的地位呢？
　　目前的奔腾4仍然使用0.18微米工艺、铝连接技术制造，可能一直要到明年年底，Intel才会在更高频率的奔腾4中采用0.13微米制造工艺和铜导线连接技术。
　　目前已经推出的奔腾4包括1.4GHz和1.5GHz两款，稍后会推出频率较低的产品，不过都是GigaHz级别。出乎大多数人意料的是奔腾4的功率实际上只有52瓦，远低于预计的68到76瓦。
    奔腾4采用了Intel最新的“NetBurst”核心体系。从字面意义上看，“NetBurst”是Net（网络）和Burst（淬发）的组合词，希望读者不要认为使用奔腾4处理器会大幅度提高网络连接的速度，对于这个名字，Intel或许另有深意吧。
　　按照Intel的提法，奔腾4包括了四项特色技术，它们是400MHz system bus、Hyper－pipelined technology、Rapid execution engine和Execution trace cache。另外，还在P6核心基础上增强了四项功能：Advanced Dynamic Execution， Advanced Transfer Cache， Enhanced Floating Point ＆ Multimedia Unit， and Streaming SIMD Extensions 2。
#1    400MHz system bus
　　在奔腾4系统中，系统的时钟频率还是100MHz，数据宽度为64bit，但是它采用了“quad－pumped”技术。像AGP4×一样，它可以在不提高频率的情况下以4倍速传输数据，这意味着奔腾4的带宽达到了8 byte×100 million/s×4=3200MB/s，还远远超过了增强EV6总线的2133 MB/s。
#1    Hyper－pipelined technology
　　这可能是奔腾4采用的新技术中最为重要的一项。奔腾4的管线深度是P6核心奔腾Ⅲ处理器的两倍，在关键的分支预测和恢复管线上，奔腾4包括20个工位而奔腾Ⅲ只有10个，这意味着奔腾4在每个时钟周期处理的任务要少于奔腾Ⅲ。Hyper－pipelined带来的好处显而易见，它的每一个工位只需要较少的晶体管和门电路，这使得奔腾4可以在未改进制程之前就可以达到较高的频率。
　　也许读者要问：既然更精细地划分管线工位可以提高频率，为什么不将它分到50个或者100个？这是因为频率的提高还受到其它因素的影响，所以这一方法不是无限适用的。并且，过细的分支预测会导致准确率降低，一旦分支树预测失误，必须回到出发点重新开始，这会大幅度降低性能。因为新算法的采用，奔腾4的分支预测准确率并没有下降，根据Intel的资料，它反而比奔腾Ⅲ减少了约33％的错误率。
#1    Rapid execution engine
　　奔腾4的核心中包括能够“倍速操作”的ALU（Arithmetic Logic Unit整数逻辑单元）和AGU（Address Generation Unit地址发生单元）各两个，也就是说在每一时钟周期可以进行两次操作，理论上相当于以3GHz运行。这可能会使奔腾4的整数性能达到前所未有的高度。所有采用NetBurst核心体系的处理器都将拥有这一特征。
#1    Execution trace cache
　　奔腾4采用的L1－Cache是一种崭新的模式，解释起来相当复杂。令人吃惊的是奔腾4只有8K的数据缓存，采用动态模式，可以处理12000条μOP （Micro－Operation/Operand Intel指令的名称，这些指令可以被执行单元理解和操作）。奔腾4的L1－Cache采用4路联合体系和64byte缓冲线，双端口设计使它可以同时进行读和写操作。
　　在奔腾4增强的四种功能中，增强型浮点/多媒体单元和SSE2指令集特别值得注意，这使得奔腾4在多媒体解码以及3D游戏中可以发挥出更高的性能。不过跟以前的MMX和SSE一样，SSE2指令集需要软件厂商的支持。在今年的COMDEX上，超过60家软件公司已经宣布对SSE2提供支持。（128MB 800MHz RambusDRAM内存和内存条终结器如^47070201e^）
#1    I850芯片组
　　Intel850芯片组是目前唯一支持奔腾4的主板芯片组。82850 Memory Controller Hub （MCH）芯片支持双重RambusDRAM 内存通道和奔腾4的400 MHz总线，也支持AGP 4×。它的I/O Controller Hub仍然采用82801BA （ICH2），支持ATA/100。
　　总体上看，i850芯片组并没有提出什么新的技术亮点，它仍然采用Intel Hub体系，双重RambusDRAM 内存通道也是一项成熟技术，在Intel840E芯片组上使用了相当长的时间。至于ICH2芯片的各项技术特色也早已是人尽皆知了。（如^47070201d^i850芯片组的82850MCH芯片，支持RambusDRAM和400MHz总线，它的封装和以前的主板芯片组明显不同）
#1    测试样品简介
　　我们用来测试的是一颗1.5GHz的奔腾4处理器（^47070201c^）和微星MSI 850Pro主板。
#1    处理器
　　外观上，奔腾4和Coppermine比较相似，不过封装形式有很大的不同，它的面积比Coppermine稍大。从处理器的正面来看，绿色的电路板上是一层面积较小的褐色电路板，上面安装了一块厚厚的散热片。散热片上标志出这颗处理器仍然是Intel的测试版本，在哥斯达黎加生产。实际上，Coppermine的核心直接接触到风扇散热片，散热效果很好，为什么频率更高，功率更大的奔腾4要在核心外包上散热片呢？这是因为Coppermine的封装确实比较脆弱，在操作时稍有不慎，就可能对CPU造成物理损伤。奔腾4的核心面积更大，危险程度更高，所以不得不采取保护措施，散热片实际上起到了盔甲的作用。奔腾4的底面更具特色，它的针脚不再是对称分布，四边型的四个边分别是五、六、七、八列针脚不等。且不论这样的针脚排列方式是否有什么特殊意义，最直接的好处是：安装CPU时，插错方向实际是不可能的事了。在奔腾4核心的背面，还有12颗电器元件。
#1    主板
　　搭配进行本次测试的主板是微星MSI－6339（^47070201f^），当然，它基于Intel850芯片组。参加测试的这块主板已经是正式上市的版本，看来微星公司的行动相当敏捷，已经为奔腾4的全面上市做好了完全地准备。
　　MSI 850 主板的编号为MS－6339，这款ATX结构的主板做工很不错，提供一条AGP Pro插槽，五条PCI插槽和CNR扩展槽，按微星一贯的作风，扩展槽都采用了名牌大厂——FOXCONN的产品。MS－6339提供4条RambusDRAM扩展槽，为了配合处理器、内存和加速卡，它在电源方面有特别周密的考量。这款主板集成了AC’97声卡，接口都符合PC’99规范，用不同颜色加以区分。当然它也包括微星的特色技术故障诊断指示灯，用户可以通过四颗LED不同的颜色组合方式，来发现和排除常见的故障。
　　i850芯片组的82850 MCH芯片的封装形式和奔腾4相同，看上去非常精致。MSI 850Pro在MCH芯片上安装了大大的散热片，可见82850的发热量不会很小。Socket423也非常有特色，它的周围有四个固定孔，可以用来固定专用的奔腾4风扇。而插座上的风扇卡明显比Socket370插座宽，也就是说普通风扇无法安装到Socket423插座上。（如^47070201g^ 使用RambusDRAM必须用内存条终结器填满来使用的内存插槽。同时可以看到82850MCH芯片上覆盖有散热片。）
　　本周我们向大家介绍了奔腾4处理器的新技术及参加本次测试的1.5GHz奔腾4处理器和微星MS－6339 i850主板的特征，在本文的下篇中，奔腾4和i850的组合将携手出击，参加全面的性能大考验。
　　要对Pentium4 1.5GHz这样刚刚上市不到一周的处理器进行评价，难度非常大，因为凡是对新上市的CPU进行测试都会面临一个同样的问题：测试软件能否充分发挥新处理器的性能？新发表的处理器往往会增加一些更强的指令集，尤其是针对多媒体应用方面，Pentium4就首次引入了SSE2指令集，包含144个用于增强128位SIMD单指令多数据流整数运算和128位双精度浮点运算性能的新指令，使得运行一些特定任务减少了指令数量，从而提高执行效率，像视频、语音识别、图形处理以及工程科学应用等方面。不过要使用SSE2提高效率，必须使用Intel最优化的C/C＋＋编译器进行重新编译。尽管Intel早就作好准备，向各应用软件开发商提供自己的SSE2 SIMD指令支持，但至今我们除了了解到有60多家软件公司宣布支持SSE2外，仍然没有看到一款支持SSE2的正式软件发表。这就使得用目前的测试软件来测试Pentium4会导致Pentium4的一些新功能得不到发挥，而如果仅仅是与其他处理器比频率高低，显然不能很好地反映CPU的真正性能。不过，幸好几天前SiSsoft发表了针对Pentium4优化过的Sandra2001测试软件，CPUID也增加了对Pentium4的识别功能，使得这次测试多少有些把握。（^47070201h^）
#1　　一、测试方案
　　除了测试这款频率最高的CPU目前能够表现的最高性能，我们还将它与Athlon进行了比较测试，以考察Pentium4在系统设计上是否有优势。
　　平台一
　　CPU：Pentium4 1.5GHz、Pentium4 1GHz（我们这颗Pentium4 1.5GHz没有锁频，降频到1GHz）
　　主板：微星MS－6339 i850主板
　　内存：256MB PC800 Rambus
　　平台二
　　CPU：Athlon 1GHz
　　主板：联想K7T KT133主板
　　内存：金邦金条256MB（128MB 2×PC133）
　　其他配件完全相同
　　显卡：ELSA GeForce2 GTS Ultra 64MB DDR
　　硬盘：IBM Deskstar 75GXP
　　CD－ROM：志美50X CD－ROM
　　显示器：LG 795FP Plus
　　电源：七喜牛魔王服务器电源DPS－3000（符合ATX 2.03规范）
　　软件系统：Microsoft Windows98SE、DirectX8.0
　　i850芯片组驱动程序 Version 2.60.001A
　　VIA KT133芯片组驱动程序 Version4.25A
　　GeForce2GTS Ultra显卡驱动程序 Version6.31
　　为了在测试中尽量减少3D性能测试部分显卡瓶颈对测试的影响，我们选用了目前最顶级的配置，ELSA GeForce2GTS Ultra 64MB DDR。与1GHz Althon配合的KT133主板，我们特意选择了在上次KT133横向测试中，性能出众的联想QDI K7T主板。
　　根据Intel的建议，Pentium4需要使用符合ATX2.03规格的电源，ATX 2.03规格除了我们常见的与主板电源相连接的插头外，还多出一个专为i850主板准备的ATX12V电源插头。保证了主板上Pentium4处理器部分更大的功耗，也进一步确保有充足的电力供应Pentium4专用CPU散热风扇的运行。所以我们选用了符合ATX 2.03规范的七喜牛魔王电源。
　　在测试之前我们感觉对Pentium4 1.5GHz的测试应该很轻松，因为Intel以Pentium4 1.5GHz再一次夺得时钟频率的桂冠，远远领先于对手AMD目前最高的Athlon1.2GHz，似乎测试难逢对手。
#1　　二、测试分析
　　●SiSsoft Sandra2001内存带宽测试（^47070201i^表一）
　　从Pentium4的规格我们知道，尽管奔腾4仍然采用100MHz的总线时钟频率，数据宽度为64bit，但Intel独创的“Quad－pumped”技术，使得数据传输得以提升至4倍，所以Pentium4的带宽理论值达到3.2GB/s，比AMD Athlon采用的EV6总线的2.1GB/s高出近40％。从SiSoft Sandra2001的Int ALU/RAM Bandwidth以及Float FPU/RAM Bandwidth测试成绩来看，Pentium4的“Quad－pumped”400MHz总线驱动i850的Dual RDRAM通道，的确使得内存带宽遥遥领先，突破1000大关，这也是我们见到的最大测试值，是Athlon 的两倍多。
　　●处理器级的整数性能和浮点性能（表一）
　　Winbench99的CPU Mark99和FPU WinMark99，以及Sandra2001的CPU Dhrystone和FPU Whetstone是专门针对CPU整数性能和浮点性能进行处理器级的测试。从测试情况来看，Pentium4的表现比较令人失望。1.5GHz Pentium4的整数性能和1GHz的Athlon差不多，而相同频率的Pentium4则远远落后Athlon，浮点性能从FPU WinMark99看来1.5GHz Pentium4比1GHz Athlon略低，算是性能相当，不过在SiSsoft2001中1.5GHz Pentium4的FPU Whetstone成绩还是要比1GHz Athlon好一些，这也许应该归功于SiSsoft2001对Pentium4的优化。
　　从SiSsoft Sandra2001的多媒体性能测试我们可以更清楚地看到针对SSE2优化的重要性。SiSsoft Sandra2001已经可以识别Pentium4的SSE2指令，并专门针对SSE2进行测试，测试后显示Integer SSE2和Floating－Point SSE2，而测试完Athlon后显示的是Interger MMX Enh和Floating－Point 3Dnow！ Enh。从测试结果来看，1.5GHz的Pentium4与1GHz的Athlon相比，SSE2的整数性能和浮点性能都略强于Athlon（MMX整数性能、3Dnow！浮点性能），但相同频率下，Pentium4还是表现得落后不少，差距在30％，如果Sandra2001能够完全发挥SSE2和3D Now！的性能，这样的差距似乎显示出，Intel从Athlon推出后就开始落后的CPU整数浮点性能有进一步扩大的趋势。总的来说，相同频率的Pentium4与Athlon相比，无论是整数性能还是浮点性能，Pentium4的性能表现都要差一些。
　　●Business Winstone99、Content Creation Winstone 2000系统整体性能测试（表一）
　　ZD的Business Winstone99、Content Creation 2000都是主要针对系统整体性能的测试套件，是对系统硬盘系统、内存带宽和CPU性能，尤其是整数性能的综合考验，Business Winstone99通过应用Windows下常用的8个办公套件和浏览器运行一系列脚本，模拟主流商业应用环境；Content Creation 2000是在多任务环境中使用Adobe PhotoShop 5.0、Adobe Premiere 5.1、Macromedia Director 7.0、Macromedia Dreamweaver 2.0、Netscape Navigator 4.6和Sonic Foundry Sound Forge scripts等应用软件，模拟现实的Internet内容创建操作。从上面分析我们已经知道Pentium4在整数性能方面并不令人满意，甚至不及PentiumⅢ，尽管有内存带宽的优势，但毕竟影响Business Winstone99、Content Creation 2000成绩最主要的因素是处理器的整数性能，所以1.5GHz的Pentium4降频到1GHz后性能远远不及相同频率的Athlon，即使1.5GHz Pentium4在Content Creation 2000测试中也只比1GHz的Athlon多一点点，而在Business Winstone99测试中甚至比1GHz Athlon还低。
　　●Quake3（^47070201j^表二）
　　在OpenGL经典游戏Quake3的测试中，Pentium4终于一展雄威，性能表现非常出色。在Fastest模式下，640×480分辨率下跑出了246帧/秒的惊人成绩，这可是我们见到过的Quake3最高记录。
　　我们知道，Quake3的测试中，分辨率越低，性能的发挥对CPU的依赖越大，不同频率的CPU下往往性能表现差异巨大，而到了高分辨率，大量的材质渲染使得显卡不堪重负，往往表现出瓶颈现象，所以你会看到在高分辨率下，不管使用什么频率的CPU测试结果会相同。表格中加灰色底纹的成绩就是处于显卡瓶颈限制状态，所以我们主要考察低分辨率下不受显卡瓶颈限制的成绩。将Pentium4 1.5GHz降频到1GHz与同频率的Athlon相比，Pentium4仍然超出不少，低分辨率下性能差距可以达到15％，而1.5GHz的Pentium4更是高出30％。
　　其实在我们以前的测试中已经发现，Quake3是一款对内存尤其是FSB总线速度十分敏感的游戏，Pentium4采用的100MHz的“Quad－pumped”技术使得CPU以相当于400MHz的频率传输数据，同时与RAMBUS的高内存带宽作配合，这显然要比Athlon的200MHz总线速度配合PC133 SDRAM内存性能强很多。
　　●MDK2（表二）
　　MDK2同样是我们常用的OpenGL测试游戏，不过在Quake3中不可一世的Pentium4在MDK2中又变得很温和，MDK2并没有针对Pentium4的SSE2作优化，所以增强指令集对Pentium4没有任何帮助，在测试中我们将硬件T＆L关闭，使所有T＆L的工作交给CPU来完成，进一步加重CPU的负荷。
　　1.5GHz Pentium4性能表现只比1GHz Athlon好一点，性能差距保持在7％，如果我们采用1.2GHz的Athlon，其MDK2的性能表现一定可以超过1.5GHz Pentium4。将1.5GHz的Pentium4降频到1GHz后，MDK2的性能表现只相当于1GHz Athlon的80％多一点。看来Pentium要在这样的游戏中超越Athlon，必须进一步提高频率，以高频率取胜。
　　●3D Mark2000（^47070201k^表三）
　　尽管3D Mark2000是我们最常用的D3D测试软件，考察CPU的浮点性能，但3D Mark2000并没有针对SSE2优化，只是使用了SSE，针对Athlon倒是优化过。从测试的情况来看，无论是CPU Speed还是3D Mark的成绩，1.5GHz还是领先很多，高出1GHz Athlon15％，但反过来，相同频率的Pentium4和Athlon比较，Athlon又表现好一些，性能高出Pentum4近10个百分点。3D Mark2000的测试并不能够完全反映Pentium4的实际效能，但从测试成绩来看，如果用到SSE2指令，Pentium4的浮点性能表现应该会更好些。
　　●OpenGL专业测试SPEC viewperf、Indy3D（^47070201l^表四）
　　在专业OpenGL测试SPEC viewperf中，Pentium4 1.5GHz基本上保持了领先，比1GHz Athlon高出10％以上，但相同频率的Pentium4和Athlon相比，并不占优势，甚至部分测试项成绩还略低一些。在Indy3D 16MB的测试中，Pentium4有相似的表现。
#1    结　论
　　从整个测试来看，Intel  Pentium4的体系结构的确非常优秀，400MHz 3.2GB/s系统总线以及双通道3.2GB/s的RAMBUS，的确使Pentium4更好地解决了内存带宽瓶颈。但新增加的SSE2指令没有表现出令人满意的性能。至少在目前支持SSE2指令集的应用程序尚未普及的情况下，SSE2指令集对Pentium4性能的发挥没有任何帮助。不过Pentium4还是取得频率上的桂冠，但AMD 凭借目前上市的Athlon 1GHz尤其是1.2GHz处理器就可以在绝大多数应用中与Pentium4 1.5GHz战成平手。Pentium4的市场前景除了应用软件厂商的支持，使Pentium4的潜能真正发挥出来外，价格会是更主要的因素。从目前上万元的零售价来看，还是显得离我们太遥远。