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Pentium 4 'Northwood' 0.13 Micron
Processeurs
Publié le Vendredi 18 Janvier 2002 par Marc Prieur

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Page 1 - Introduction, Rappel

L´année 2002 sera l´année Pentium 4 ou ne sera pas, du moins c´est ce qu´Intel espère. En effet, après un décollage difficile depuis son lancement en Novembre 2000, le Pentium 4 semble prendre son envol, notamment du fait de l´arrivée de l´i845D et d´une nouvelle version, connue jusqu´alors sous le nom de Northwood.

Pentium 4, petit rappel

Lancé il y’a un peu plus d’un an, le Pentium 4 est pour rappel le premier processeur basé sur l’architecture NetBurst d’Intel. Cette dernière innove à plusieurs niveau par rapport à cette bonne vieille architecture P6 qu’Intel utilise depuis le Pentium Pro. Première chose, la profondeur de pipeline, qui passe de 10 à 20 niveaux. Ceci permet d´augmenter sensiblement la fréquence sans changement de technologie de gravure. Mais en contrepartie, en cas d´échec dans la prédiction de branchement, l´impact sur les performances peut être très important. C’est d´ailleurs pour cette raison que celle ci a été améliorée par rapport au Pentium III : on atteint un taux de réussite d´environ 93%, contre 90% auparavant.

Autre nouveauté par rapport au P6, si le nombre d´ALU (Arithmetic Logic Unit) et de FPU (Floating Point Unit) sont identiques (2 et 1), les ALU fonctionnent désormais à une vitesse double de celle de la fréquence processeur. Le cache a également évolué : ainsi, le cache L1 passe à ´seulement´ 8 Ko. En fait, ce cache L1 ne comprend plus qu´un L1 Data cache, le L1 Instruction cache se prénommant désormais Instruction Trace cache. Plus efficace, ce dernier permet de stocker 12 000 micro-ops. Ce cache L1 est d´ailleurs plus rapide (1.4ns et 41.7 Go /s pour P4 1.4 GHz contre 3ns et 14.9 Go /s pour PIII 1 GHz), tout comme le cache L2 (14.9 Go /s pour PIII 1 GHz, 41.7 Go /s pour P4 1.4 GHz).

Autre nouveauté, le Pentium 4 supporte un nouveau jeu d´instruction, le SSE2. Il rajoute 144 nouvelles instructions à celles existantes, et permet de manipuler de nouveaux types de données, tel que les nombres entiers de 128 bits (1 par cycle) et les flottants double précision de 64 bits (2 par cycle). Bien entendu, comme le MMX et le SSE, le SSE2 nécessite que les applications soient compilées pour en tirer parti, sinon il reste inactif.

Pour en finir avec la logique, l´architecture NetBurst du Pentium 4 vient à bout d´un des gros point noir de l´architecture P6 : le bus processeur, trop étroit pour des processeurs à plus de 1 GHz. On passe désormais à un bus 64 bits Quad Pumped (4 mots de 64 bits envoyés par cycle) à 100 MHz (soit un ´équivalent´ 400 MHz ´standards´), c´est à dire une bande passante de 3051 Mo /s.

Depuis son lancement, le Pentium 4 a subi une grosse évolution, à savoir le passage du format PGA 423 Pin au format µPGA 478 Pin. Plus petit, ce nouveau packaging a également l’avantage d’ajouter 55 nouvelles pins qui devraient permettre d’atteindre de plus hautes fréquences.

Page 2 - Le Northwood, le test

Le Northwood, kesako ?

Après s’être attaqué au physique du Pentium 4 avec le µPGA 478 Pin, Intel passe maintenant au processeur en lui même avec le Northwood. De quoi s’agit t’il ? D’un nouveau core Pentium 4, tout simplement. En fait, le P4 Northwood est un peu au P4 Willamette ce que le Celeron Tualatin est au Celeron Coppermine-128.

Première innovation, qui est au passage à la source de la seconde, c’est la finesse de gravure. Fini le process P858 (gravure en 0.18 Micron, taille des portes de 0.13 Micron), faites place au process Px60 (gravure en 0.13 Micron, taille des portes de 0.07 Micron) ! Ce passage du 0.18 au 0.13 Micron permet au processeur de consommer moins (on passe de 1.75 à 1.5V), de chauffer moins et d’être plus petit. Du coup, on peut aller plus haut en fréquences. Les premiers P4 Northwood seront ainsi cadencés à 2 et 2.2 GHz, mais on atteindra bientôt les 2.4 GHz et plus.

D’autre part, étant donné que l’on peut placer plus de transistors sur une même surface de silicium, Intel en a profité pour augmenter la taille du cache de second niveau. Ainsi, le cache de second niveau du Northwood, s’il est identique du point de vue de sa gestion avec celui du Willamette, ne l’est pas au niveau de sa taille, puisque l’on passe de 256 Ko à 512 Ko. Cela devrait permettre au Northwood d’être de 5 à 10% plus performant que son prédécesseur ...

Physiquement, il est strictement identique à un ancien Pentium 4 Willamette µPGA 478 comme vous pouvez le constater.

Le test

Tout d’abord, nous tenons à remercier brolysan et ses acolytes sans qui ce test n’aurait pas être effectué si tôt. C’est grâce à eux que nous avons pu en effet tester un Pentium 4 Northwood, en l’occurrence un modèle ‘Engineering Sample’ (processeur réservé aux tests et qui n’est pas bloqué au niveau du coefficient multiplicateur) 2.2 GHz.

Les tests de performances sont séparés en trois parties, la seconde étant la plus longue. La première est un test des différents core à 1.5 GHz, la seconde est un test aux fréquences commerciales, et la troisième est un test du Northwood après overclocking.

Les tests sur Athlon XP et sur Pentium 4 ont étés effectués sur des plate-formes DDR-SDRAM, en l’occurrence sur les cartes mères Gigabyte GA-7VTXH (VIA KT266A) et ASUSTeK P4B266 (Intel i845D).

Voici le détail des configurations de test :

Pentium 4
- ASUSTeK P4B266 (i845D)
- 2x256 Mo DDR-SDRAM Micron PC2100 CAS 2.5

Athlon XP
- Gigabyte GA-7VTXH (KT266A)
- 2x256 Mo DDR-SDRAM Micron PC2100 CAS 2.5

En commun :
- NVIDIA GeForce3
- IBM 75 GXP 15 Go
- Windows 2000 SP2
- Derniers bios & drivers disponibles au 10/12/2001

Page 3 - Les archis à 1.5 GHz

Les architectures à 1.5 GHz

Pour commencer, voici un test pour les puristes, et qui n’a aucun rapport avec le produit commercial en lui même : il s’agit d’un test à fréquence égale (1.5 GHz) entre P4 Willamette, P4 Northwood et Athlon XP (enfin, Athlon XP à 1.47 et 1.53 GHz, car il est impossible de le faire fonctionner à 1.5 GHz avec un bus 133 et un ratio qui n’augmente que par pas de 0.5x). Le but de ce test est de voir quelle est l’architecture, indépendamment de la fréquence, qui s’avère la plus performante.

Pour que la lecture des tests soit rapide, nous avons comparés pour chacun des tests les performances des processeurs au Willamette 1.5 GHz, qui représente l’indice 1 (ou 100%).

Comme vous pouvez le voir, l’Athlon XP et son core Palomino est le plus efficace, et ce sur chacun des 7 benchmarks. On remarquera que dans les tests 3D ‘jeux’ (QIII, 3D Mark), l’écart est assez faible, contrairement à ce qui se passe dans les autres applications.

Il est également intéressant de voir à fréquence égale le gain apporté par les 256 Ko de cache de second niveau supplémentaires du Northwood. Celui ci est compris entre 7 et 16% selon les benchs (plus faible pour Content Creation Winstone 2001, plus important pour Maya), avec une moyenne de 10.8%. Même si ce gain est important, il ne suffit pas à atteindre les performances de l’Athlon XP.

Il convient toutefois de relativiser ses résultats, puisqu’une comparaison MHz à MHz n’a pas de sens au vu des politiques d’AMD et d’Intel, et ce d’autant plus que l’Athlon XP ne sera disponible en Janvier qu’a 1.67 GHz, là ou le P4 Northwood atteindra les 2.2 GHz.

Page 4 - Winstone 2001, Maya 4

Winstone 2001, Maya 4.0

Nous voici dans la seconde partie des tests, consacrée aux performances aux fréquences (chez Intel) ou PR-Rating (chez AMD) commerciaux. Il est à noter que nous n’avons malheureusement pas pu inclure de P4 2 GHz ‘Willamette’ dans nos tests, ce processeur étant très difficile d’approvisionnement au format Socket 478 Pin.

Le premier résultat est l’indice de performance obtenu sous Content Creation Winstone 2001, un test applicatif utilisant les logiciels suivants : Adobe Photoshop 5.5, Adobe Premiere 5.1, Macromedia Director 8.0, Macromedia Dreamweaver 3.0, Netscape Navigator 4.73, Sonic Foundry Sound Forge 4.5.

Comme vous pouvez le voir, le Northwood, que ce soit à 2A ou 2.2 GHz, ne mène pas large face à l’Athlon XP. Ainsi, un XP 1600+ suffit à dépasser le 2A GHz, alors qu’un XP 1700+ est devant le 2.2 GHz. Le PR-Rating d’AMD semble donc encore une fois sous évalué ...du moins pour ce bench.

Voici maintenant le temps de rendu, exprimé en secondes, de notre scène 3D de référence sous le logiciel d’image de synthèse Maya 4. Cette fois ci, le Northwood se comporte bien mieux. A 2 GHz, il se situe entre Athlon XP 1800 et 1900+, et est au dessus à 2.2 GHz. A priori, un Athlon XP 2200+ (1.8 GHz), devrait offrir des performances équivalentes au Northwood 2.2 GHz sous Maya.

Page 5 - DiVX 4.11, MPEG-1 Layer 3

DiVX 4.11, MPEG-1 Layer 3

Voici les performances obtenues sous FlaskMPEG pour l’encodage en DivX 4.11. Le chiffre indiqué est le temps en seconde nécessaire à la compression de notre fichier VOB de référence (876 images). Nous avons utilisé une résolution de 352*288 à 25 ips, sans décodage du son.

Coté iDCT, nous avons fait deux tests, d’une part avec le MMX (nombres entiers, le plus rapide), et d’autres part avec l’iDCT IEEE-1180 le plus performant selon les CPU (avec un jeu d’instruction FPU SIMD donc, 3D Now ! ou SSE2 selon le processeur). Le Northwood 2 GHz est à mi chemin entre XP 1700 et 1800+, et ce, que ce soit en MMX ou en FPU SIMD. A 2.2 GHz, il est aussi rapide qu’un 1900+ en MMX et un peu plus rapide en FPU SIMD. Toutefois l’écart est minime et devrait permettre à l’Athlon XP 2000+ de reprendre les rênes dès sa sortie.

Pour les tests en encodage MP3, nous utilisons GOGO, un encodeur gratuit supportant les fonctions MMX, SSE et 3D Now!, sans oublier le SMP. Les chiffres indiqués correspondent en fait à la vitesse en ´x´ de l´encodage (24.85x = 24.85s de piste audio encodée en 1 seconde) lors du benchmarks intégré à gogo (ligne de commande : gogo.exe -test). Le P4 2A GHz est pris en sandwich entre les XP 1800+ et 1900+, alors que le P4 2.2 GHz s’avère une fois de plus être le plus rapide. A priori un XP 2100+ devrait avoir des performances proches.

Page 6 - Quake III, 3D Mark 2001

Quake III Arena, 3D Mark 2001

Voici maintenant deux tests plus destinés aux joueurs, à savoir Quake III Arena et 3D Mark 2001. L’intérêt de Quake III Arena est qu’il s’agit d’un jeu dont le moteur graphique tire particulièrement bien partie de la bande passante mémoire (cache et centrale) disponible. Il est ici testé en 640*480 16 bits, alors que les tests sous 3D Mark 2001 sont effectués avec le réglage par défaut, à savoir 1024*768 32 bits. Les écarts sous 3D Mark seront donc moins importants, car sous certaines scènes entrant en jeu dans le calcul de l’indice 3D Mark (Nature notamment) on est limité par la carte graphique, et ce même avec une GeForce3.

Sous Quake III Arena, le Northwood brille de tous ses feux, et cette fois ci on ne peut pas incomber ses performances à la RDRAM PC800 étant donné que les deux plates-formes utilisaient de la DDR-SDRAM PC2100. L’écart est relativement important, si bien que si l’on extrapole les performances des XP seul un XP 2200+ pourrait approcher le score d’un Northwood 2 GHz.

Sous 3D Mark 2001, c’est plus serré. Ainsi, le P4 2A GHz obtient des performances comparables à celles d’un Athlon XP 1900+ Le Pentium 4 2.2 GHz est, et certains diront que c’est logique du fait de sa fréquence, le plus rapide des processeurs testés.

Page 7 - Overclocking

Overclocking

Bien entendu, nous ne pouvions pas nous empêcher de voir ce que valait le Northwood du coté de l’overclocking. Nous pensions atteindre une fréquence de l’ordre de 2.5-2.6 GHz, et en pratique, nous avons effectivement pu arriver à 2.5 GHz sans problème, juste en montant la tension électrique de 1.5 à 1.7V.

Nous avons bien entendu effectué quelques tests à cette fréquence, ou plus exactement en 19*133.33 soit environ 2.53 GHz, ce qui permet au passage de se donner un aperçu des performances du Pentium 4 2.53 GHz en FSB 133 MHz Quad Pumped qui est prévu pour la mi 2002. Pour que la lecture des performances soit rapide, nous avons comparé pour chacun des tests les performances d’un XP 1900+ et du Northwood 2.53 GHz au Northwood 2.2 GHz, qui représente l’indice 1 (ou 100%).

Le gain varie de 4 à 19% selon les tests (3D Mark 2001 pour le plus bas, Flask en MMX pour le plus haut), avec une moyenne de 13% ... ce qui n’est pas mal du tout étant donné que la fréquence en elle même n’augmente ‘que’ de 15%. En fait, les gains proviennent de deux facteurs : la fréquence bien entendu, mais aussi le bus processeur qui passe de 100 à 133 MHz. La mémoire est restée pour sa part en DDR-SDRAM PC2100 à 133 MHz (plantage en 166). Le P4 Northwood 2.53 GHz est le premier processeur à nous avoir permi de passer les 300fps (304.1 exactement) sous Quake III Arena en mode normal.

Page 8 - Conclusion

Conclusion

Début 2002 le processeur x86 le plus rapide sera sans conteste le Pentium 4 2.2 GHz. L’alliance de cette fréquence et des 512 Ko de cache L2 du core Northwood lui permet en effet d’offrir des performances de très haut niveau.

Toutefois, l’Athlon XP n’est pas complètement distancé. En effet, si le PR Rating utilisé par les Athlon XP était un peu pessimiste par rapport au Willamette ... il prend tout son sens par rapport au Northwood, puisque si l’on extrapole les résultats obtenus on peut en déduire qu’un Athlon XP 2000+ offre des performances équivalentes à un Pentium 4 2A GHz et qu’un Athlon XP 2200+ offre des performances équivalentes à un Pentium 4 2.2 GHz. Bref, si AMD ne rate pas son passage en 0.13 Micron, l’Athlon XP restera dans la course.

Reste que le Northwood, combiné à la DDR-SDRAM qui offre un excellent rapport performances / prix et au Socket 478 qui offre de bonnes possibilités d’évolution (officiellement 2.4 GHz sur les cartes mères actuelles, 2.6 GHz et plus si le chipset supporte le bus 133, que ce soit officieusement comme l’i845D et le SiS 645 ou officiellement comme le P4X266A), permet à la plate-forme Pentium 4 de devenir vraiment intéressante aux yeux des power user. Le Pentium 4 est par ailleurs plus solide que l’Athlon XP (pas de core qui s’effrite), il dégage moins de chaleur et, du fait de la disponibilité de chipsets signés Intel, il rassure les utilisateurs par rapport aux quelques problèmes d’incompatibilité rencontrés dans le passé avec certains chipsets exploitant l’Athlon.

Seul problème, Intel restant fidèle à lui-même, le Northwood est hors de prix. Ainsi, les Pentium 4 2A et 2.2 GHz, prévus pour le 7 Janvier, sont annoncés à respectivement 610 et 420$. Certes, ces prix passeront rapidement (le 27 Janvier) à 530 et 364$ (4600 et 3150 FF TTC), mais cela reste encore bien trop cher pour pouvoir rivaliser en terme de rapport performances / prix avec l’Athlon XP. Bref, il faudra sûrement attendre la sortie de versions plus rapides pour voir s’offrir ces processeurs sans casser sa tirelire ... comme c’est déjà le cas chez Intel depuis des années.