50 Jahre Intel: Die 68er-Revolution in der IT-Welt

| Autor: Klaus Länger

Intel Pentium: Befreiungsschlag und große Panne

Der erste dieser Prozessoren war der 1993 vorgestellte Pentium. Der Name sollte symbolisieren, dass es sich um die fünfte Generation von Intel-Prozessoren handelte. Seine Mikroarchitektur trug intern auch das Kürzel P5 und war die erste superskalare Architektur bei Intel. An ihm zeigt sich gut die stürmische Entwicklung in der Fertigungs- und Transistortechnik, die das Moore’sche Gesetz beschreibt: Der Intel 4004 bestand noch aus 2.900 Transistoren und wurde in einem 10-Micrometer-Prozess hergestellt. Beim 8086 waren es schon etwa 29.000 Transistoren und eine 3-Micrometer-Fertigung. Der P5-Pentium bestand bereits aus etwa 3,1 Millionen Transistoren. Hergestellt wurde er in einem 0,8-Micrometer-Prozess.

Ein Ziel beim Entwurf des Pentium war eine dramatisch gesteigerte Fließkommaleistung. Daher wurde die FPU gegenüber der des 486 erheblich erweitert und teilweise erneuert. Dabei unterlief den Intel-Ingenieuren aber ein folgenschwerer Fehler im Hardware-Design. Dieser sogenannte FDIV-Bug führte dazu, dass sich der Prozessor bei Gleitkomma-Divisionen mit bestimmten Wertepaaren schlicht verrechnet. Entdeckt hat ihn Prof. Thomas Ray Nicely vom Lynchburg College. Nachdem der von ihm informierte Intel-Support nicht reagierte, ging Nicely an die Öffentlichkeit und trat damit eine Lawine los. Nach anfänglichen Versuchen, das Ausmaß des Fehlers herunterzuspielen, ging Grove schließlich in die Offensive und versprach, alle betroffenen Pentium-Prozessoren kostenlos umzutauschen. Intel hatte ein fehlerbereinigtes Stepping des Prozessors bereits in der Produktion.

Mit dem P55C brachte Intel im Oktober 1996 eine Pentium-Version, bei der 57 MMX-Befehle den Instruktionssatz erweiterten. Sie sollten die Leistung bei Multimedia-Aufgaben wie dem Audio- oder Video-Decoding und Encoding steigern. AMD konterte den Pentium zunächst mit dem ambitionierten, aber misslungenen K5, der im März 1996 auf den Markt kam. Nach der Übernahme des Prozessorherstellers Nexgen folgte 1998 der K6 auf Basis von deren Nx686. Weitere zum Pentium kompatible Prozessoren kamen von Cyrix, Rise und IDT Winchip. Sie liefen auch noch auf den selben Mainboards mit Sockel 5 beziehungsweise Sockel 7 wie die Intel-Prozessoren.

Pentium Pro: CISC trifft RISC

Beim Pentium Pro mit seinem Sockel 8 war das nicht mehr der Fall. Intel hatte ihn parallel zum Pentium entwickelt und 1995 vorgestellt. Der Pentium Pro war mit seiner P6-Architektur zwar weiterhin ein x86-Prozessor, arbeitete aber intern mit Micro-Ops, RISC-ähnlichen Befehlen. Er beherrschte zudem die Out-of-Order-Ausführung von Befehlen, die auch eine spekulative Instruktions-Ausführung umfasste. Diese Technik sollte Intel und anderen CPU-Herstellern mehr als 20 Jahre später noch viel Ärger bereiten, da sie für Angriffe wie „Spectre“ und – speziell bei Intel-Prozessoren – „Meltdown“ ausgenutzt werden kann. 1995 hatte Intel aber ein anderes Problem: Bei 16-Bit-Software konnte der Pentium Pro sein volles Potenzial nicht entfalten. Daher wurde er als High-End-Modell für Workstations und Server unter Unix, Linux oder Windows NT vermarktet. Ihm fehlten auch die MMX-Instruktionen.

Intel hatte beim Pentium Pro zudem erstmals den Level-2-Cache direkt mit auf den Prozessor gepackt. Er saß separat neben dem eigentlichen Prozessor und arbeitete mit dessen voller Taktfrequenz von 150 bis 200 MHz. Der Cache-Baustein machte aber den Prozessor teuer und limitierte zusätzlich dessen maximale Taktrate, da schnellere SRAM-Chips kaum verfügbar waren.

Pentium II und III: Der Pentium Pro für den Massenmarkt

Daher ging der Hersteller 1997 beim eher für den Massenmarkt bestimmten Pentium II einen Schritt zurück und verwendete wieder herkömmliche SRAM-Chips. Die saßen gemeinsam mit der CPU auf einer kleinen Platine und arbeiteten mit deren halber Taktfrequenz. Die Platine war in ein Kunststoffgehäuse gepackt und saß nicht in einem Sockel, sondern im Slot 1, einem Steckplatz mit 242 Kontakten. Zudem hatten die Entwickler die 16-Bit-Leistung des Prozessors verbessert. Mit den Celeron brachte Intel eine Billigvariante des Prozessors ohne L2-Cache. Der Nachfolger für den Pentium Pro wurde 1998 der Pentium II Xeon mit Full-Speed-L2-Cache und Sockel-II-Interface. Der Pentium III brachte 1999 mit den Streaming SIMD Extensions (SSE) erneut eine Befehlssatzerweiterung. In der Folge wurde der L2-Cache mit auf dem Die integriert, ein Schritt, den AMD bereits zuvor beim Athlon getan hatte. Der zunächst mit Slot-A-Interface erschienene Prozessor, an dessen Entstehung vormalige DEC-Alpha-Entwickler beteiligt waren, machte dem Pentium II und III inzwischen gehörig Konkurrenz.

Intel mit zu langer Leitung

Der Pentium 4 „Willamette“ sollte den Abstand zu AMD erneut herstellen. Seine Netburst-Microarchitektur war mit ellenlanger Pipeline, vierfach getaktetem Frontside-Bus und Rapid Execution Engine mit doppelt getakteten ALUs für eine hohe Taktfrequenz ausgelegt. Mit „Northwood“ reichte Intel dann 2002 die Hyperthreading-Technologie nach, mit der bestimmte Instruktionen parallel abgearbeitet werden konnten. Dem Betriebssystem präsentierte sich Northwood wie zwei Prozessoren. Allerdings hatte Intel mit dem Pentium 4 heftige Probleme. Er war für die Zusammenarbeit mit den seriellen Rambus-Speichern ausgelegt. Da diese aber unverschämt teuer und dann auch noch Probleme des 850er-Chipsatz hatte, reichte Intel den 845er-Chipsatz für SDRAM nach. Damit stiegen zwar die Verkäufe des Prozessors, aber dessen Leistung litt. Beim 2004 vorgestellten 90-Nanometer-Pentium-4 „Prescott“ hatte Intel die Pipeline sogar noch verlängert. Aber die für eine höhere Performance nötige Taktfrequenz – Intel sprach beim Launch von bis zu 10 GHz – wurde nicht annähernd erreicht. Selbst bei den 3,8 GHz der letzten Pentium-4-Modelle waren Leitungsaufnahme und Hitzeentwicklung am Limit. Auch die 2005 unternommene Implementierung von AMDs 64-Bit-Technik und der Schritt zu Dual-Core-Prozessoren – Intel verwendete zwei getrennte Dies in einem Gehäuse – konnte den Pentium 4 nicht retten, da AMD mit dem Athlon 64 X2 kurz danach einen besseren Dualcore-Prozessor auf den Markt brachte.

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