Intel Pentium Pro

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Prima CPU Intel con architettura P6 - First P6 microarchitecture-based Intel CPU

This is a pre-production version, clocked at 133 MHz, not a "true" early Pentium Pro Engineering Sample!

"Pre-production version" dell’Intel Pentium Pro, a 133 MHz con 256 KB di cache L2 (1995, vedi) - Il Pentium Pro (Intel 80521), annunciato nel Marzo 1995 ed introdotto nel Novembre di quello stesso anno, è stato la prima CPU Intel della cosiddetta "sesta generazione", ovvero della famiglia di processori basati sulla microarchitettura "P6" (famiglia cui appartengono fra l’altro il Pentium II ed il Pentium III). E’ un processore x86 a 32 bit, superscalare a cinque vie con esecuzione speculativa, contenuto in un caratteristico socket rettangolare (Socket 8, C-SPGA 387) a doppia cavità nel quale sono alloggiati tanto il chip della CPU vera e propria (contenente 5,5 milioni di transistor realizzati con processo BiCMOS a 0,50 oppure CMOS a 0,35 micrometri a 4 livelli di metallizzazione in alluminio, vedi) quanto quello della cache di secondo livello, la cui ampiezza varia a seconda del modello tra 256 KB ed 1 MB. Vedi: http://www.microprocessor.sscc.ru/chiplist/cl.2.47.html.

ATTENZIONE - L’esemplare di Pentium Pro mostrato qui sopra NON è un engineering sample, come erroneamente indicato in precedenza, ma una "pre-production version". I primi e più "antichi" engineering sample di Pentium Pro: 1) non hanno l’indicazione della frequenza (-133 in questo caso), 2) riportano la dicitura "ES" e 3) hanno in basso a destra una marcatura aggiuntiva (del tipo E2xx-00xx) che identifica il lotto di appartenenza. Un autentico ES di Pentium Pro si può vedere nel sito di CPU-World. I Pentium Pro ES senza indicazione di frequenza sono molto rari, più degli esemplari "pre-production" che si trovano talvolta su Ebay. Come indicato anche in Wikipedia oltre che in Microprocessor Report, il die del Pentium Pro a 150 MHz deriva direttamente da quello delle versioni pre-production a 133 MHz. Entrambi impiegano il medesimo processo produttivo BiCMOS a 500 nm.

La prima versione commerciale del Pentium Pro è stata, nel 1995, quella funzionante a 150 MHz (FSB a 60 MHz) con 256 KB di cache L2, identificata dagli S-SPEC SY010 - SY014. Questa CPU è stata impiegata nei primi sistemi P6 quali le workstation Intergrapgh TDZ e Compaq Deskpro XL 6150. In seguito è avvenuta una rapida transizione nel settore desktop ed in particolar modo in quello delle macchine di fascia medio/alta verso il Pentium Pro a 180 MHz.

Portachiavi promozionale Intel, distribuito nel 1996 agli OEM statunitensi, contenente entrambi i chip che formano un processore Pentium Pro: la cache (in alto) e la CPU. Confrontando l’aspetto dei chip con le fotografie mostrate nel sito CPU-World (vedi la pagina: http://www.cpu-world.com/info/die_pictures.html) si deduce che la cache corrisponde al modello da 256 KB. Entrambi i chip mancano del livello di metallizzazione superiore, che è stato con tutta probabilità rimosso (operazione solitamente compiuta trattando il die con acidi) per mettere in evidenza il layout del processore, altrimenti in gran parte nascosto (vedi sempre le immagini di CPU-World). Il chip della CPU ha un’area di circa 310 millimetri quadrati (contro i 209 del Pentium II ed i 140 del Pentium III, fabbricati con processo CMOS rispettivamente a 350/250 ed a 180 nm, contro i 500 del procedimento BiCMOS impiegato nella produzione del Pentium Pro).

Microfotografia del die della CPU di un Pentium Pro a 150 MHz (immagine originale Intel). Contiene 5,5 milioni di transistor. Rispetto al die contenuto nel portachiavi in alto, quello raffigurato nella foto appare ruotato di 90° in senso antiorario.

Le prime motherboard per Pentium Pro (qui una scheda Intel per OEM, in formato ATX, fabbricata nel 1995 e corrispondente alle specifiche della piattaforma standard Intel P6 "Alder") erano basate sul chipset Intel 450KX "Orion", disponibile in due versioni: una con possibilità di SMP a due vie e l’altra capace di supportare SMP a 4 vie, pensata per l’impiego nei server, denominata 450GX (che offriva fra l’altro la protezione mediante ECC anche del bus dati). Il 450KX consentiva di utilizzare solamente SIMM di tipo FPM (Fast Page Mode), con parità oppure con ECC; il supporto alle più recenti RAM EDO/BEDO venne introdotto nel Maggio 1996 col chipset 450FX "Natoma" che rappresentò anche il primo chipset affiancato al Pentium II. Tutti questi chipset erano basati sulla tradizionale architettura northbridge/southbridge. Il chipset Orion è suddiviso in 6 circuiti integrati: il più grande è il PCI controller, al quale si affiancano il controller della RAM e quattro multiplexer ad esso collegati. 

L’annuncio iniziale prevedeva l’introduzione del Pentium Pro a 133 MHz con 256 KB di cache L2; poiché tuttavia a tale frequenza le prestazioni del nuovo processore non si sarebbero discostate da quelli dei Pentium più veloci in misura tale da giustificare la notevole differenza di prezzo, Intel fece debuttare questa CPU a 150 MHz presto innalzati a 166, quindi a 180 (qui sopra un Pentium Pro a 180 MHz nella scatola originale Intel accanto ad uno "nudo") ed infine a 200 (vedi). Tutti i Pentium Pro a 133 MHz esistenti sono engineering sample o pre-production sample (la maggior parte hanno Q-Spec 0815). Inoltre, mentre i piani originari prevedevano un impiego del Pentium Pro in sistemi di tutte le fasce, motivi economici ed architetturali hanno relegato questa CPU ai soli settori delle workstation e dei server. La versione a 150 MHz (3,1 V) è fabbricata con processo BiCMOS a 0,50 micrometri (così come i chip di cache L2 da 256 KB); tutte le altre sono invece CMOS a 0,35 micrometri funzionanti a 3,3 V.

Processore Pentium Pro a 180 MHz con 512 KB di cache L2 sul modulo CPU di un server IBM PCServer 325 (1997). Il chipset utilizzato in questa scheda è l’Intel PCIset 450FX "Natoma".

Modulo SMP AST Technologies con processore Pentium Pro a 200 MHz - 512 KB di cache L2; è impiegato un chipset Intel 450GX "Orion" che supporta un massimo di quattro CPU.

Scheda CPU di un server Compaq ProLiant 2500 (1997) - Questa macchina entry level, SMP a due vie, utilizza CPU Pentium Pro a 200 MHz con 512 KB di cache L2; il chipset è un Intel 450FX. Le buone prestazioni globali del Pentium Pro a 200 MHz ne hanno fatto un temibile rivale nel settore dei server di fascia medio/alta per le CPU RISC dell’epoca, come il PowerPC 604 e l’IBM POWER2. Sebbene la potenza di calcolo in virgola mobile del Pentium Pro fosse inferiore rispetto a quella dei concorrenti RISC, esso si è imposto come il primo processore Intel di successo in ambito server, contribuendo ad estendere anche a questo settore la popolarità dell’architettura x86, consolidata poi dalle CPU Xeon.

Uno dei principali motivi del modesto successo commerciale del Pentium Pro risiede nel fatto che si tratta di un processore ottimizzato per eseguire codice a 32 bit: all’epoca in cui venne presentato, invece, la maggior parte dei sistemi operativi e degli applicativi più diffusi era ancora a 16 bit (vedi ad esempio Windows 3.11, MS-DOS ed anche molte parti di Windows 95). Con questo tipo di codice le prestazioni del Pentium Pro erano, a parità di frequenza, soltanto del 20% circa superiori a quelle del Pentium, il quale però costava molto meno. Bisogna ricordare infatti che nel 1996 il prezzo di un Pentium Pro a 150 MHz era circa il doppio rispetto a quello di un Pentium di pari frequenza. Lo stesso discorso valeva per i chipset. Per poter sfruttare a dovere le potenzialità della nuova CPU Intel occorrevano dunque sistemi operativi non alla portata di tutti come Windows NT 3.51 oppure una delle versioni di Unix per macchine x86.

Nel Novembre 1995 la rivista Byte presentava il Pentium Pro (secondo dal basso), ancora indicato come "P6", assieme ad altri tre "super chip" x86 di quinta e sesta generazione: il NexGen Nx586, l’AMD K5, il Cyrix 6x86. Nessuna di queste ultime tre CPU entrò in diretta concorrenza col Pentium Pro: esse si proposero piuttosto, con diverse ed alterne fortune, come rivali del Pentium. L’Nx586 è significativo in quanto è stato la prima CPU x86 ad adottare la tecnica della traduzione delle istruzioni in microistruzioni RISC, chiamate in questo caso RISC86.

Questa immagine, tratta da Wikimedia Commons (vedi) mostra l’interno del package a doppia cavità di un processore Pentium Pro (versione a 200 MHz con 256 KB di cache L2). Il chip a sinistra è la CPU vera e propria, quello a destra la cache di secondo livello. Notare anche la caratteristica disposizione dei piedini del Socket 8.

L’ultima e più potente versione del Pentium Pro, pensata per l’impiego in server SMP di fascia alta, è stata quella a 200 MHz con 1 MB di cache L2 (FSB a 66 MHz, moltiplicatore 3x). Questa CPU, introdotta alla fine del 1996, è caratterizzata da un particolare package SPGA-387 plastico con "copertura" (lid) in alluminio, nel quale trovano posto tre chip: quello del processore e due cache da 512 KB ciascuna.

Il Pentium Pro è stato la prima CPU Intel ad impiegare in modo massiccio soluzioni architetturali di derivazione RISC, in particolar modo la "traduzione" delle istruzioni IA-32 in microistruzioni di tipo RISC, l’esecuzione speculativa, l’esecuzione fuori ordine, il superpipelining ed il cosiddetto "register renaming" (ridenominazione dei registri). L’aspetto chiave dell’architettura P6, nonché uno dei principali motivi delle sue ottime prestazioni, è tuttavia il disaccoppiamento (decoupling) della fase di fetch (lettura) e decodifica delle istruzioni rispetto a quella di esecuzione, ottenuto tramite la cosiddetta "instruction window" (vedi). Questo concetto all’epoca venne applicato anche in altre CPU x86, ad esempio nell’AMD K5. Rispetto al Pentium questo processore ha un bus degli indirizzi più ampio, 36 bit contro 32, ed una particolare cache L2 collegata alla CPU mediante un bus dedicato (backside bus, nella terminologia Intel), funzionante alla medesima velocità della CPU stessa (60 o 66 MHz) e capace di accettare richieste multiple di lettura e scrittura (fino a 4 alla volta). Quest’ultima caratteristica, che è un esempio di "parallelismo a livello della memoria" (Memory-Level Parallelism), rendeva la cache del Pentium Pro molto più veloce di quella del Pentium anche senza contare gli altri miglioramenti quali ad esempio il fatto che essa si trovava non sulla scheda madre ma nello stesso package della CPU. Il vantaggio derivante dalla presenza di una cache L2 strettamente integrata con il processore è evidente soprattutto nelle configurazioni a più CPU (SMP). Tuttavia il design della cache del Pentium Pro aveva anche alcuni importanti difetti. Il primo consisteva nella particolare natura del package a doppia cavità, il quale era molto costoso e richiedeva l’assemblaggio definitivo dei chip della CPU e della cache prima dello svolgimento dei test di funzionalità: un difetto anche minimo in uno dei due circuiti integrati (tre nelle versioni con 1 MB di cache L2) comportava così inevitabilmente lo scarto dell’intero processore. Le caratteristiche architetturali del Pentium Pro fanno sì che questo processore sia, a parità di frequenza, molto più veloce di un Pentium (processore di quinta generazione). Il Pentium Pro aveva prestazioni eccellenti nel calcolo con numeri interi (integer), laddove era paragonabile alle migliori CPU RISC dell’epoca (circa 366 SPECint92 per un Pentium Pro a 200 MHz); nella virgola mobile (floating point), nonostante il notevole miglioramento rispetto alla precedente generazione di CPU x86, esso restava ancora distante dalle architetture RISC più potenti quali ad esempio l’Alpha di DEC e la POWER di IBM (8,1 SPECfp95 per il Pentium Pro a 200 MHz contro 11,2 per il POWER2 a 77 MHz e 11,6 per l’Alpha 21164 a 300 MHz).

Motherboard Intel EISA/PCI con chipset 450GX rev. 2 (vedi sotto) utilizzata nei server IBM Netfinity 7000 (1997). Ci sono due moduli CPU che possono ospitare un massimo di 4 processori Pentium Pro a 200 MHz. All’estrema destra si vede la scheda con la memoria RAM. Questa versione del chipset GX supporta anche RAM EDO. La motherboard è un prodotto Intel di fascia alta per OEM utilizzato anche da altri fabbricanti quali Olivetti e Siemens Nixdorf. I primi sistemi Pentium Pro a quattro vie cominciarono ad essere venduti solamente nella prima metà del 1996 a causa dei problemi che affliggevano la versione iniziale del chipset 450GX.

Dettaglio del chipset Intel PCIset 450GX "Orion" rev. 2. Questa versione del 450GX correggeva alcuni errori della prima release ed era disponibile anche in package BGA (come nell’esempio qui sopra).

Scheda CPU di server Compaq ProLiant 6000 (1996) con 4 processori Intel Pentium Pro a 200 MHz con 512 KB di cache (nella foto mancano i moduli regolatori di tensione, VRM). Il chipset è un Intel "Orion" 450GX. Architetturalmente la macchina è identica al più compatto ProLiant 5000.

Piattaforma SMP a 4 vie Diversified Technologies LBE-7544 (1998). Contiene quattro CPU Pentium Pro a 180 MHz con 512 KB di cache L2. Il chipset utilizzato è un 450GX. E’ un prodotto per OEM che consente di realizzare server compatti EISA/PCI (l’esemplare mostrato qui proviene da una macchina assemblata da Lucent).

Il più recente nonché l’ultimo membro della famiglia Intel OverDrive è stato il Pentium II OverDrive (1997), che consente di aggiornare un sistema Pentium Pro con Socket 8. Questo componente è in pratica un Pentium II Xeon con core Deschutes a 0,25 micron e 512 KB di cache L2 adattato ad un modulo più piccolo del normale. Il Pentium II OverDrive ha un moltiplicatore 5x e la sua effettiva frequenza di lavoro dipende da quella dell’FSB della scheda madre sulla quale è installato; con un FSB a 60 MHz funziona ad esempio a 300 MHz.