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2000 – Processadores Pentium III de 500 a 1000 MHz

Pentium III EB (Coppermine)

Sempre é impressionante a evolução dos processadores quando olhamos para um ou dois anos atrás. Em março de 1998 os processadores mais velozes era o Pentium II de 333 MHz, ainda caríssimo. Modelos de 300, 266 e 233 MHz tinham preços um pouco mais acessíveis. Dois anos depois temos como processador mais veloz da Intel (por enquanto) o Pentium III EB de 1000 MHz. Neste artigo faremos uma apresentação do que ocorreu durante 1998 e 1999, e até março de 2000 em relação aos processadores da Intel.

Sem dúvida um dos fatores que contribuiu (como sempre contribui) para a evolução desses processadores foi a redução no tamanho dos minúsculos transistores que os formam. Ao ser lançado em 1997, o Pentium II usava a tecnologia de 0,35 mícron (ou seja, cada minúsculo transistor media 0,35 milésimos de milímetro). Já o Pentium II de 333 MHz introduziu a tecnologia de 0,25 mícron. Os atuais modelos utilizam a tecnologia mais recente, 0,18 mícron. Ao utilizar transistores menores é possível produzir processadores com clocks mais elevados e com menos aquecimento. Sem dúvida a elevada dissipação de calor é o maior obstáculo para atingir clocks elevados. Portanto ao reduzir o aquecimento, os fabricantes de processadores podem lançar modelos com clocks mais elevados, ainda mantendo níveis de aquecimento aceitáveis.

Outra vantagem das tecnologias de transistores menores é a redução no tamanho do chip. Ao ocupar menos espaço, torna-se possível acrescentar mais circuitos, ou seja, mais recursos. Desta forma foi possível acrescentar aos processadores, instruções MMX, instruções SSE e integrar a cache L2 ao núcleo do processador. Finalmente temos a vantagem da redução dos preços. Preços de processadores são em parte definidos por questões comerciais, mas também em parte por questões técnicas. Ao reduzir o tamanho de um chip, é possível produzir um número maior deles em cada lote. Isto resulta em redução do custo de produção que pode ser repassada ao usuário final.

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Figura 1 – Waffer no qual são produzidos os processadores. Cada pequeno retângulo é um processador

Portanto entre 233 e 1000 MHz, os processadores Pentium II e Pentium III sofreram os seguintes avanços:

Aumento de clock

De 0,35 mícron para 0,25 mícron e depois para 0,18 mícron, a redução no tamanho dos minúsculos transistores que formam o processador permitiu o aumento do clock de 233 MHz (no seu lançamento) até 1000 MHz (março/2000).

Chegada do Pentium III

O Pentium III é uma evolução do Pentium II introduz alguns avanços na sua arquitetura. Foram introduzidas novas instruções chamadas SSE (Streaming SIMD Extensions). Chamadas por muitos de MMX2, as novas instruções SSE melhoram o desempenho na realização de cálculos necessários à geração de imagens em 3D.

Velocidade do barramento externo

Este é um melhoramento introduzido para permitir o uso de memórias mais rápidas. Desde o lançamento do Pentium, a comunicação entre o processador e o seu exterior (o que inclui a memória RAM) era feita com o clock de 66 MHz, ou seja, permitia realizar teoricamente até 66 milhões de acessos à memória por segundo. Em abril de 1998 o barramento do Pentium II passou a operar com até 100 MHz, possibilitando o uso das memórias classificadas como PC100. Em setembro de 1999 chegaram ao mercado modelos do Pentium III com clock externo de 133 MHz, permitindo assim o uso de memórias PC133. Se o clock externo do processador não tivesse aumentado, boa parte dos ganhos de desempenho seria colocada a perder. As versões de 233 a 333 MHz funcionavam com clock externo fixo em 66 MHz. Quanto mais elevado era o seu clock interno, mais difícil era obter desempenho mais elevado. Compare a relação entre clock interno e externo para esses processadores:

Processador Clock interno Clock externo Multiplicador
Pentium II/233 233 MHz 66 MHz 3.5x
Pentium II/266 266 MHz 66 MHz 4x
Pentium II/300 300 MHz 66 MHz 4.5x
Pentium II/333 333 MHz 66 MHz 5x

Comparando os multiplicadores 3.5x e 5x do Pentium II/233 e do Pentium II/333, respectivamente, podemos afirmar que a capacidade do Pentium II/333 em buscar dados e instruções na memória manteve-se fixa (ou seja, aumentou 0%), enquanto a capacidade de processamento aumentou em 42%. Sendo assim, o aumento global no desempenho do processador não foi de 42%, fixou-se em um índice menor. Medidas de desempenho feitas com programas especializados mostraram que o desempenho do Pentium II/333 é apenas 35% maior que o do Pentium II/233, e não 42% como seria se o clock interno fosse o único determinante da velocidade de um processador.

Esta situação foi melhorada com o lançamento de novos modelos do Pentium II e posteriormente do Pentium III, com clock externo de 100 MHz, 50% maior que 66 MHz. As primeiras versões do Pentium II a usarem o novo clock externo de 100 MHz foram as de 300, 350 e 400 MHz. Comparando o Pentium II/350 com o Pentium II/233, temos aumentos de 50% tanto no clock interno como no externo. Como resultado de ambos os clocks terem aumentado em 50%, o desempenho do Pentium II/350 é também 50% maior que o do Pentium II/233.

Novos modelos do Pentium II, que deu lugar ao Pentium III, foram lançados com clocks mais elevados. Em agosto/1999 tínhamos o Pentium III/600, ainda operando com o clock externo de 100 MHz. Usando o multiplicador 6x, o barramento de 100 MHz deste processador já era considerado lento em relação aos 600 MHz que usava internamente. Para melhorar a situação, foram lançadas em setembro/1999 as primeiras versões do Pentium III com barramento externo de 133 MHz. Com 600 MHz internos e 133 MHz externos, o multiplicador usado é 4.5x, menos ruim que o 6x usado na versão anterior.

Por mais que se procure desenvolver memórias mais rápidas, um problema sempre ocorre na evolução dos processadores: a velocidade das memórias não acompanha a mesma evolução que a velocidade dos processadores. No primeiro Pentium lançado, tanto o clock interno como o externo eram de 66 MHz, portanto o multiplicador era 1x. Nos modelos mais atuais do Pentium III são usados multiplicadores elevados como 6x e superiores. No novo Pentium III de 1000 MHz, o multiplicador é 7.5x. Isto significa que a velocidade do processador evoluir 7.5 vezes mais que a velocidade das memórias. Felizmente a Intel e outros fabricantes de processadores utilizaram uma forma de melhorar este quadro: utilizar uma memória cache L2 mais poderosa, como mostraremos a seguir.

Cache L2

Antes do Pentium II, a memória cache utilizava uma arquitetura bastante simples. Um único barramento de 66 MHz era usado no Pentium e no Pentium MMX para fazer a comunicação entre o processador, memória cache L2 e memória DRAM. Por mais elevado que fosse o clock desses processadores, a cache L2 não podia ser usada simultaneamente com a DRAM, as transferências eram feitas em grupos de 64 bits e com o clock de apenas 66 MHz.

Um grande melhoramento na cache L2 foi introduzido no Pentium II. Ao invés de usar uma cache L2 na placa de CPU, o Pentium II possuía no seu cartucho 512 kB de cache L2. Apesar da quantidade ser a mesma, e também operar com 64 bits como no Pentium MMX, a cache L2 do Pentium II tem duas grandes vantagens. A primeira é que seus acessos podem ser feitos de forma independente da DRAM. Esta é a chamada Arquitetura DIB (Dual Independent Bus), com a qual acessos à DRAM podem ser feitos simultaneamente com acessos à cache L2. Além disso a velocidade de acesso à cache L2 não é fixa em 66 MHz. Ao invés disso, a cache L2 utiliza um clock igual à metade do clock do processador. Em um Pentium II/300, por exemplo, os acessos à cache L2 são feitos à taxa de 150 MHz. Os acessos à cache de forma simultânea com a DRAM e feitos a velocidades mais elevadas permitiram ao Pentium II atingir índices de desempenho elevados, mesmo utilizando memórias DRAM similares à do Pentium MMX. Este mesmo sistema de cache L2 foi mantido nas versões iniciais do Pentium III. Esta cache L2 é formada por chips de memória SRAM comuns, montados dentro do cartucho do Pentium II e do Pentium III.

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Figura 2 – A cache L2 do Pentium II e das primeiras versões do Pentium III era formada por chips SRAM

As novas versões do Pentium III incorporam mais um melhoramento na cache L2. A Intel chama a nova tecnologia de Advanced Transfer Cache. Com a adoção do processo de fabricação com 0,18 mícron no lugar de 0,25 mícron, tornou-se possível incorporar a cache L2 ao próprio núcleo do processador, ao invés de utilizar chips SRAM independentes. Apesar de ter agora apenas 256 kB, a cache L2 do Pentium III é acessada com a mesma velocidade do núcleo, e não mais com a metade deste valor. Em um Pentium III /600E, o clock de acesso à cache L2 é de 600 MHz, e não de 300 MHz como no Pentium III/600. De certa forma, dobrar a velocidade de acesso à cache L2 compensa com vantagem a sua redução em tamanho pela metade. Melhor ainda, a transferência de dados entre a cache L2 e o núcleo do processador não é feito mais em grupos de 64 bits, e sim em grupos de 256 bits, ou seja, 4 vezes mais rápido. Comparando de forma simplificada, a cache L2 do novo Pentium III tem tamanho duas vezes menor, mas sua taxa de transferência de dados para o processador é 8 vezes maior. O Pentium III/600 foi o último a ser produzido com a cache L2 “tradicional”, com 512 kB, formada por chips SRAM e acesso em 64 bits. Todas as novas versões do Pentium III, de 600 MHz em diante, além das versões 550E, 533EB e 500E apresentam cache L2 na nova arquitetura. A tabela que se segue compara as caches L2 utilizadas nos últimos anos.

Processador Tamanho da cache L2 Tipo de cache L2 Número de bits Clock da cache L2
Pentium MMX 512 kB Chips SRAM na placa de CPU 64 66 MHz
Pentium II e III original 512 kB Chips SRAM no cartucho 64 Metade do clock do núcleo
Pentium IIIE 256 kB Integrado ao núcleo 256 Clock do núcleo

 

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Figura 3 – Nas novas versões do Pentium III, a cache está embutida no próprio processador

Advanced System Buffering

Este é um recurso simples, mas que também contribui para aumentar o desempenho. Sempre que existem dois circuitos que operam com velocidades diferentes, o mais rápido freqüentemente precisa esperar por dados do mais lento. No caso dos processadores, para evitar que o circuito mais rápido (núcleo) tenha que esperar pelo mais lento (memória RAM), são utilizados circuitos intermediários para armazenar dados temporariamente. Um deles é a cache L2, que armazena dados e instruções a serem executadas. Outros circuitos mais simples mas que também têm efeito sobre o desempenho são os buffers. Esses circuitos armazenam dados que o processador e a cache L2 devem enviar à DRAM. A tecnologia chamada pela Intel de Advanced System Buffering consiste em aumentar o número desses buffers, tornando o seu trabalho mais eficiente. É melhorada a velocidade de transferência entre o processador e a DRAM, e entre a cache L2 e a DRAM.

Modelos E, B e EB

O sufixo E indica que o Pentium III é um modelo construído com tecnologia de 0,18 mícron e com Advanced Transfer Cache de 256 kB. Da mesma forma, o sufixo B indica o clock externo de 133 MHz. Entretanto a ausência desses sufixos não indica a ausência desses recursos. Eles são usados pela Intel apenas para diferenciar entre modelos que possuem e que não possuem esses recursos. Por exemplo, o Pentium III de 1000 MHz não possui versões com clock externo de 1000 MHz, nem versões com cache L2 de 512 kB operando com a metade do clock do núcleo, por isso não utiliza sufixos. Já o Pentium III de 600 MHz possui 4 versões: 600, 600E, 600B e 600EB. A tabela que se segue mostra as versões disponíveis do Pentium III até 1000 MHz, juntamente com suas características de cache e barramento externo.

Tabela de modelos do Pentium III

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Linha do tempo

A evolução dos processadores seguia o seu curso normal, obedecendo à conhecida Lei de Moore (velocidade dobra a cada 18 meses), até que em julho de 1999 a AMD lançou o processador Athlon, tirando da Intel o primeiro lugar no ranking de velocidade de processadores para PCs. A partir daí começou uma corrida entre a Intel e a AMD para lançar modelos cada vez mais velozes. Veja a evolução que seguiram os processadores Pentium III nos últimos meses:

Agosto/1999 Pentium III de 600 MHz
Set/1999 Pentium III de 533 e 600 MHz
com barramento externo de 133 MHz
Out/1999
Pentium III-733 /133 MHz
Pentium III-700 /100 MHz
Pentium III-667 /133 MHz
Pentium III-650 /100 MHz
Pentium III-600EB /133 MHz
Pentium III-600E /100 MHz
Pentium III-550E /100 MHz
Pentium III-533EB /133 MHz
Pentium III-500E /100 MHz
Dez/1999
Pentium III-750
Pentium III-800
8/mar/2000 Pentium III-1000
20/mar/2000
Pentium III-850
Pentium III-866