펜티엄 프로(Pentium Pro)는 미국의 반도체 기업 인텔(Intel)이 개발·제조한 6세대 x86 마이크로프로세서로, 1995년 11월 1일에 공개되었다. 이 프로세서는 P6 마이크로아키텍처(때로는 i686으로도 불림)를 구현한 최초의 x86 인텔 CPU이며, 기존 펜티엄의 P5 아키텍처를 계승·대체하기 위해 설계되었다. 이후 서버 및 하이엔드 데스크톱 프로세서로 그 역할이 축소되었으며, 1998년에 펜티엄 II 제온으로 대체되었다.
개요
펜티엄 프로는 인텔이 개발한 6세대 x86 마이크로프로세서로, 1995년 11월 1일 공개되었다. 이 프로세서는 P6 마이크로아키텍처를 구현한 최초의 x86 인텔 CPU로, 기존 펜티엄의 P5 아키텍처에서 크게 개선된 설계를 채택하였다. 펜티엄 프로는 원래 모든 응용 분야에서 기존 펜티엄을 대체하도록 의도되었으나, 이후 서버 및 하이엔드 데스크톱 프로세서로 더 좁은 역할로 축소되었다.
펜티엄 프로는 슈퍼컴퓨터에도 사용되었는데, 가장 주목할 만한 사례로는 1996년 최초로 1테라플롭스를 넘어섰고 1997년부터 2000년까지 TOP500 목록에서 1위를 차지했던 ASCI Red가 있다. ASCI Red는 각 컴퓨팅 노드에 두 개의 펜티엄 프로 CPU를 사용했다.
주요 사양
펜티엄과 펜티엄 MMX가 각각 310만 개와 450만 개의 트랜지스터를 가졌던 반면, 펜티엄 프로는 550만 개의 트랜지스터를 포함했다. 이 프로세서는 듀얼 및 쿼드 프로세서 구성을 모두 지원했으며, 비교적 큰 직사각형 소켓 8이라는 단일 폼 팩터로만 출시되었다.
- 최대 CPU 클럭 속도: 150 MHz ~ 200 MHz
- FSB 속도: 60 MT/s ~ 66 MT/s
- 공정: 500 nm ~ 350 nm
- 명령어 집합: x86
- 마이크로아키텍처: P6
- 코어: 1개
- L1 캐시: 16 KB (8 KB 명령어 + 8 KB 데이터)
- L2 캐시: 256 KB ~ 1 MB
- 데이터 폭: 64비트
- 주소 폭: 36비트
- 가상 주소 폭: 32비트
- 소켓: 소켓 8
- 이전 모델: 펜티엄
- 후속 모델: 펜티엄 II, 펜티엄 II 제온
- 애플리케이션: 서버, 워크스테이션
마이크로아키텍처
펜티엄 프로의 수석 설계자는 슈퍼스칼라에 전문화되었고 인텔 iAPX 432의 수석 엔지니어로도 일했던 프레드 폴락(Fred Pollack)이었다.
펜티엄 프로는 펜티엄의 P5 마이크로아키텍처와는 다른 새로운 마이크로아키텍처를 통합했다. 이 프로세서는 명령 풀을 사용하는 디커플드 14단계 슈퍼파이프라인 아키텍처를 가지고 있다. 펜티엄 프로(P6)는 넥스젠 Nx586 및 사이릭스 6x86과 같은 다른 현대적인 x86 디자인을 반영하는 많은 급진적인 아키텍처적 차이를 구현했다.
펜티엄 프로 파이프라인은 IA-32 명령어를 버퍼링된 마이크로 오퍼레이션 시퀀스로 동적으로 변환하기 위한 추가 디코딩 단계를 가졌다. 이 시퀀스는 여러 실행 장치에 동시에 발행될 수 있는 병렬화 가능한 작업을 감지하기 위해 분석, 재정렬 및 이름 변경될 수 있었다. 따라서 펜티엄 프로는 레지스터 이름 변경을 통한 투기적 실행을 포함하는 비순차적 명령어 처리를 특징으로 했다. 또한 더 넓은 36비트 주소 버스를 가졌으며, 물리 주소 확장(PAE)에 의해 사용 가능하여 최대 64 GB의 메모리에 접근할 수 있었다.
펜티엄 프로는 8KB 명령어 캐시를 가지고 있으며, 여기서 매 사이클마다 최대 16바이트가 페치되어 명령어 디코더로 전송된다. 세 개의 명령어 디코더가 있으며, 오직 하나만이 모든 x86 명령어를 디코딩할 수 있고 나머지 두 개는 간단한 x86 명령어만 디코딩할 수 있다. 펜티엄 프로는 총 6개의 실행 장치를 가지고 있다: 두 개의 정수 장치, 하나의 부동소수점 장치(FPU), 로드 장치, 스토어 주소 장치, 스토어 데이터 장치.
펜티엄 프로는 바이오스 및 운영체제(OS) 제어 하에 업그레이드 가능한 마이크로코드를 지원한 x86 계열의 첫 프로세서였다.
명령어 집합
펜티엄 프로(P6)는 인텔 제품군에 새로운 '조건부 이동' 명령어를 도입했다. CMOVcc 및 FCMOVcc('조건부 이동') 명령어는 레지스터 또는 메모리에서 소스 값을 가져와 플래그 레지스터의 조건에 따라 선택적으로 그 값을 대상 레지스터에 쓴다. 이는 비용이 많이 드는 조건부 분기 없이 간단한 if-then-else 연산을 허용한다.
두 번째 개발은 UD2 불법 명령어의 문서화였다. 이 연산 코드는 예약되어 있으며 P6 및 모든 이후 프로세서에서 불법 명령어 예외를 발생시키도록 보장된다.
캐싱
펜티엄 프로의 가장 눈에 띄는 추가 기능은 온패키지 L2 캐시였다. 도입 당시 256KB에서 1997년에는 1MB까지 범위가 늘어났다. 당시 제조 기술로는 대규모 L2 캐시를 프로세서 코어에 통합하는 것이 불가능했기 때문에, 인텔은 L2 다이를 패키지 안에 별도로 배치하여 CPU 코어와 동일한 클럭 속도로 작동할 수 있도록 했다. 또한, 대부분의 마더보드 기반 캐시 방식이 CPU와 메인 시스템 버스를 공유했던 것과 달리, 펜티엄 프로의 캐시는 자체 백사이드 버스(인텔은 이중 독립 버스라고 불렀다)를 가지고 있었다.
이 온패키지 캐시 배열은 독특했다. 프로세서와 캐시는 동일한 패키지 내의 별도 다이에 있었고 풀 스피드 버스로 긴밀하게 연결되어 있었다. 두 개 또는 세 개의 다이는 테스트가 가능하기 전에 생산 과정 초기에 함께 접합되어야 했으며, 이는 어느 한 다이에서 단 하나의 작은 결함이라도 발생하면 전체 어셈블리를 폐기해야 했음을 의미했다. 이는 펜티엄 프로의 비교적 낮은 생산 수율과 높은 비용의 원인 중 하나였다.
성능 및 한계
당시에는 고급 기술이었음에도 불구하고, 펜티엄 프로의 비순차적 레지스터 이름 변경 아키텍처는 16비트 코드 및 혼합 코드 실행에 어려움을 겪었는데, 이는 부분 레지스터 사용으로 인해 파이프라인 플러싱이 자주 발생했기 때문이다. 펜티엄 프로 출시 당시 주류 운영 체제는 16비트 DOS와 혼합 16/32비트 윈도우 3.1x 및 윈도우 95였다. 펜티엄 프로의 P6 마이크로아키텍처를 완전히 활용하려면 윈도우 NT, 리눅스, 유닉스, 또는 OS/2와 같은 완전한 32비트 운영 체제가 필요했다.
RISC 마이크로프로세서와 비교했을 때, 펜티엄 프로는 출시 당시 SPECint95 벤치마크를 실행할 때 정수 성능에서 가장 빠른 RISC 마이크로프로세서를 약간 능가했지만, 부동소수점 성능은 일부 RISC 마이크로프로세서의 절반 수준으로 현저히 낮았다.
평론가들은 P6 플랫폼의 약점으로 비디오 메모리에 대한 매우 느린 쓰기 속도를 지적했다. 그러나 1997년부터 윈도우 비디오 드라이버에 의해 메모리 타입 범위 레지스터(MTRR)가 자동으로 설정되었고, 그 이후로 개선된 캐시/메모리 서브시스템과 FPU 성능 덕분에 1990년대 중후반의 새로운 3D 게임에서 펜티엄을 클럭 대 클럭으로 압도했다. 그러나 MMX 구현 부족으로 해당 명령어를 활용하는 멀티미디어 애플리케이션에서는 성능이 저하되었다.
사용 가능한 모델
펜티엄 프로의 클럭 속도는 150, 166, 180 또는 200MHz였으며, 외부 버스 클럭은 60 또는 66MHz였다. 개발 초기 단계에서 133MHz 펜티엄 프로 시제품이 개발되었지만 출시되지는 않았다. 이 칩은 대칭형 다중 처리 구성에서 인기가 있었으며, 듀얼 및 쿼드 SMP 서버 및 워크스테이션 설정이 일반적이었다.
인텔은 전력 소모와 발열 문제로 원래 펜티엄 프로의 모바일 프로세서 버전을 제공하지 않았다. 인텔의 "패밀리/모델/스테핑" 방식에서 펜티엄 프로는 패밀리 6, 모델 1이며 인텔 제품 코드는 80521이다.
| 클럭 | 버스 | L2 캐시 | 최대 TDP |
|---|---|---|---|
| 150 MHz | 60 MHz | 256 KB | 29.2 W |
| 166 MHz | 66 MHz | 512 KB | 35.0 W |
| 180 MHz | 60 MHz | 256 KB | 31.7 W |
| 200 MHz | 66 MHz | 256 KB | 35.0 W |
| 200 MHz | 66 MHz | 512 KB | 37.9 W |
| 200 MHz | 66 MHz | 1024 KB | 44.0 W |
제조 및 패키징
펜티엄 프로 프로세서 다이와 별도의 캐시 메모리 다이를 제조하는 데 사용된 공정은 변경되었고, 같은 패키지 내에서 여러 공정이 조합되어 사용되었다. 133MHz 시제품은 0.6μm BiCMOS 공정, 150MHz는 0.50μm BiCMOS 공정, 166·180·200MHz는 0.35μm BiCMOS 공정으로 제조되었다.
펜티엄 프로(최대 512KB 캐시)는 세라믹 멀티칩 모듈(MCM)로 패키징된다. MCM은 387개의 핀을 가지고 있으며, 그 중 약 절반은 핀 그리드 배열(PGA)로, 나머지 절반은 삽입형 핀 그리드 배열(IPGA)로 배열되어 있다. 1MB 캐시를 가진 펜티엄 프로는 플라스틱 MCM을 사용한다.
업그레이드 경로
1998년, 소켓 8용 300/333MHz 펜티엄 II 오버드라이브 프로세서가 출시되었다. 데슈트 펜티엄 II 제온에 사용된 일부 기술을 기반으로, 더블 L1과 512KB의 풀 스피드 L2 캐시, MMX 기능을 특징으로 하며, 인텔은 펜티엄 프로 시스템 소유자를 위한 드롭인 업그레이드 옵션으로 생산했다.
슬롯 1 마더보드가 보편화되면서 여러 제조업체는 소켓 8-슬롯 1 어댑터 형태의 슬로켓을 출시했다. 이 슬로켓은 펜티엄 프로 프로세서가 슬롯 1 마더보드와 함께 사용될 수 있도록 했지만, 소수의 칩셋만이 이 슬로켓을 지원하여 널리 사용되지는 않았다.
버스 및 다중 프로세서 기능
펜티엄 프로 버스 설계는 퓨처버스, 인텔 iAPX 432 버스, 그리고 인텔 i960 버스 요소들의 영향을 받았다. 펜티엄 프로는 프론트 사이드 버스에 GTL+ 신호 방식을 사용했다. 펜티엄 프로는 최대 4-way 디자인에 자체적으로 사용될 수 있었으며, 8-way 펜티엄 프로 컴퓨터도 제작되었지만 이들은 여러 버스를 사용했다.
펜티엄 프로는 윈도우 95 및 다른 많은 16비트 및 혼합 16/32비트 운영 체제에 대한 16비트 지원이 미흡하여 대중을 위한 컴퓨터로는 성공하지 못했지만, 고급 통합 버스 설계 덕분에 파일 서버 분야에서는 상당한 성공을 거두며, 이전에는 고가의 워크스테이션 부문에서만 사용할 수 있었던 많은 고급 기능을 대중 시장에 도입했다.
경쟁 제품
펜티엄 프로의 6세대 경쟁자로는 AMD K5 및 AMD K6, 사이릭스 6x86 및 MII, IDT WinChip 등이 있었다. 인텔 P5 펜티엄은 펜티엄 프로와 몇 년간 공존했다.
역사적 의의
펜티엄 프로의 P6 마이크로아키텍처는 인텔에서 10년 이상 여러 형태로 사용되었다. 파이프라인은 초기 150MHz부터 "튜얼라틴" 펜티엄 III의 1.4GHz까지 확장되었다. 이 디자인의 다양한 특징은 그 이후에도 파생 코어인 바니아스에서 펜티엄 M과 인텔 코어(요나)로 이어졌고, 이 자체가 2006년부터 코어 마이크로아키텍처(코어 2 프로세서)로 발전했다.
