펜티엄 III는 인텔의 x86 마이크로프로세서로, 펜티엄 II를 대체하여 출시되었으며 셀러론 및 제온 브랜드의 하위 및 상위 버전도 함께 출시되었다. 펜티엄 III는 Katmai, Coppermine, Coppermine-T, Tualatin의 네 가지 코어(processor core)를 사용했다. Katmai는 SSE 명령어 집합을 지원하며, Coppermine 코어는 256KB의 온다이 L2 캐시를 탑재하여 성능을 향상시켰다. 투알라틴 코어는 130nm 공정을 사용하여 1000-1400 MHz 클럭 속도를 지원했다. 펜티엄 III는 CPU 일련 번호(PSN)를 포함하여 개인 정보 보호 논란을 겪었으며, 하드웨어 기반 난수 생성기(RNG)를 탑재했다. 또한 SSE 구현 방식에 따라 성능 최적화에 어려움이 있었다.
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카트마이 (Katmai): 250 nm 공정, 펜티엄 II 기반에 SSE 명령어 추가. L2 캐시 외부 탑재.
코퍼마인 (Coppermine): 180 nm 공정, 256 KB L2 캐시를 CPU 다이에 통합하여 성능 향상. 최초 1 GHz 달성.
코퍼마인-T (Coppermine-T): 180 nm 공정, 코퍼마인과 투알라틴 사이의 과도기적 코어.
투알라틴 (Tualatin): 130 nm 공정 적용, L2 캐시 용량(256 KB/512 KB) 및 버스 신호 방식 변경. 저전력 특성으로 모바일/서버 활용.
2. 1. 카트마이 (Katmai, 250nm)
방열판이 제거된 펜티엄 III ''카트마이'' SECC2 카트리지.
카트마이 다이 샷
펜티엄 III 카트마이
최초의 펜티엄 III 변종은 카트마이(Katmai, 인텔 제품 코드 80525)로, 펜티엄 II의 '데슈츠(Deschutes)' 코어를 기반으로 개발되었다. 펜티엄 II에 비해 실행 유닛과 SSE 명령어 지원이 추가되었고, L1 캐시 컨트롤러가 개선되어 약간의 성능 향상이 있었다. L2 캐시 컨트롤러는 변경되지 않았다. 카트마이는 250nm CMOS 공정(P856.5)으로 제조되었으며, 5단계의 알루미늄 상호 연결 구조를 가졌다.[4] 코어 자체는 950만 개의 트랜지스터를 집적했으며, 크기는 12.3mm x 10.4mm (128mm2)이다.
카트마이는 1999년2월 28일에 450MHz와 500MHz 속도로 처음 출시되었다. 이후 1999년5월 17일에 550MHz, 1999년8월 2일에 600MHz 모델이 추가되었다. 1999년9월 27일에는 133MHz FSB를 지원하는 533B와 600B 모델이 출시되었는데, 기존 100MHz FSB 모델과 구분하기 위해 모델명 뒤에 'B'를 붙였다.
패키지는 펜티엄 II와 동일한 슬롯 1 규격을 사용했지만, 방열판과 CPU 코어가 직접 접촉할 수 있도록 개선된 SECC2(Single Edge Contact Cartridge 2) 형태가 주로 사용되었다. 초기 450MHz 및 500MHz 모델 중 일부는 구형 SECC 패키지로 OEM 시장에 공급되기도 했다.
또한, 각 CPU를 식별하기 위해 소프트웨어로 읽을 수 있는 96비트 고유 ID인 프로세서 시리얼 넘버(PSN, Processor Serial Number) 기능이 추가되었다.[26]
매니아들 사이에서는 SL35D 스테핑 레벨의 450MHz 모델이 주목받기도 했는데, 이 모델에는 종종 600MHz 모델용 캐시 칩이 사용되어 오버클럭을 통해 600MHz로 안정적으로 작동하는 경우가 많았다.
아래는 카트마이 코어 기반 펜티엄 III 모델별 TDP(열 설계 전력) 정보다.[27]
클럭 속도 (FSB x 배수)
FSB
코어 전압
TDP
600B MHz (133 x 4.5)
133MHz
2.05V
34.5W
600 MHz (100 x 6)
100MHz
550 MHz (100 x 5.5)
100MHz
2.0V
30.8W
533B MHz (133 x 4)
133MHz
29.7W
500 MHz (100 x 5)
100MHz
28W
450 MHz (100 x 4.5)
100MHz
25.3W
2. 2. 코퍼마인 (Coppermine, 180nm)
900MHz ''Coppermine'' FC-PGA 펜티엄 III.
Coppermine 다이 샷
보호 커버를 제거한 코퍼마인 S.E.C.C.2 패키지. 카트마이에 비해 CPU 코어 실장면에 2차 캐시 메모리 패키지가 보이지 않는다.
두 번째 버전인 코퍼마인(Coppermine, 인텔 제품 코드: 80526)은 1999년10월 25일에 처음 출시되었다. 180 nm(0.18 µm) 공정으로 제조되었으며, 초기에는 500, 533, 550, 600, 650, 667, 700, 733 MHz 클럭 속도로 출시되었다. 이후 1999년 12월부터 2000년 5월까지 750 MHz부터 최대 1.13 GHz 모델까지 순차적으로 출시되었다. 코퍼마인은 MMX (명령어 집합)와 SSE 명령어 세트를 지원한다.
코퍼마인의 가장 큰 특징은 어드밴스드 트랜스퍼 캐시(Advanced Transfer Cache, ATC)라고 불리는 온다이(on-die) L2 캐시를 도입한 점이다. L1 캐시는 이전과 동일하게 16KB 데이터 캐시와 16KB 명령어 캐시로 구성되었지만, L2 캐시는 CPU 코어와 동일한 속도로 작동하는 256KB 용량으로 CPU 다이에 직접 통합되었다. 이는 이전 세대인 카트마이(Katmai)의 512KB 외장 캐시보다 용량은 절반이지만, 코어와 같은 속도로 동작하고 캐시 접근 지연 시간(latency)이 크게 줄어 성능 향상에 기여했다. 이 L2 캐시는 8방향 세트 연관 구조이며, 256비트 버스 폭(Katmai의 4배)을 가졌다. 인텔은 이를 통해 L2 캐시 성능이 크게 향상되었다고 설명했다. 이외에도 133 MHz FSB를 효율적으로 활용하기 위해 버퍼와 큐의 수를 늘리는 '어드밴스드 시스템 버퍼링'(Advanced System Buffering) 기술도 적용되었다.[5] 또한, 일부 파이프라인 지연 시간을 개선하여 특정 응용 프로그램에서 성능 향상을 이루었다.
코퍼마인은 100 MHz FSB 모델과 133 MHz FSB 모델 두 가지로 출시되었다. 기존 모델과 구분하기 위해 100 MHz FSB 모델에는 모델명 뒤에 'E'가 붙었고 (예: 600E MHz), 133 MHz FSB 모델에는 'EB'가 붙었다 (예: 600EB MHz). 코어 전압은 모델에 따라 1.6V, 1.65V, 1.70V, 1.75V 등으로 다양했다.
패키지 형태는 초기에는 카트마이와 같은 슬롯 1용 SECC2 방식이었으나, L2 캐시가 CPU 다이에 통합되면서 셀러론 프로세서에 사용되던 소켓 370 규격의 플립 칩 핀 그리드 어레이(FC-PGA) 방식으로도 출시되었다. 다만, 코퍼마인용 소켓 370은 기존 셀러론용 소켓 370과 핀 배열이 일부 달라 호환성 문제가 발생하기도 했다. 초기 FC-PGA 패키지는 CPU 코어가 외부로 노출되어 있어 방열판 장착 시 코어 손상 위험이 있었고, 방열판이 코어에 완전히 밀착되지 않아 냉각 효율이 떨어지는 문제가 있었다.[6] 이 문제를 해결하기 위해 이후 출시된 고클럭 모델(주로 866 MHz 이상)에는 통합 방열판(IHS)이 적용된 FC-PGA2 패키지가 도입되었다. IHS는 코어를 보호하고 방열판과의 접촉면을 평평하게 유지하는 데 도움을 주었다.[7]
코퍼마인은 출시 당시 AMD의 Athlon 프로세서와 치열한 경쟁을 벌였다. 초기에는 코퍼마인이 약간의 성능 우위를 보였으나, AMD가 Athlon의 공정을 미세화하고 온다이 L2 캐시를 추가하면서 경쟁은 더욱 치열해졌다. 부동소수점 연산에서는 Athlon이, SSE 최적화 코드에서는 코퍼마인이 유리한 경향을 보였다. 인텔은 클럭 경쟁에서 우위를 점하기 위해 노력했으며, 코퍼마인은 인텔 x86 프로세서 중 최초로 1 GHz 클럭 속도를 달성한 아키텍처가 되었다.
그러나 2000년 중반 출시된 1.13 GHz 모델(S-Spec SL4HH)은 심각한 동작 불안정 문제를 드러냈다. 여러 하드웨어 리뷰 사이트에서 불안정성이 지적되자[8] 인텔은 결국 해당 모델을 회수했다. 코퍼마인 코어는 당시 기술로는 1.13 GHz에서 안정적으로 작동하기 어려웠으며, 더 높은 전압(1.75V)과 개선된 냉각, 특정 메인보드 환경이 필요했다.[8] 인텔은 이후 cD0 스테핑으로 코어를 개선하여 2001년에 1.1 GHz 및 1.13 GHz 모델을 다시 출시했다.[9]
한편, 마이크로소프트의 첫 번째 게임 콘솔인 Xbox에는 코퍼마인 아키텍처 기반의 프로세서가 탑재되었다. 이 프로세서는 모바일 셀러론과 유사하게 128KB의 L2 캐시를 가졌지만, 펜티엄 III의 특징인 8방향 캐시 연관성은 유지했다.[10]
코드명 '코퍼마인'은 구리(Copper) 배선 기술 사용을 연상시키지만, 실제로는 알루미늄 배선이 사용되었다.
아래는 코퍼마인 기반 데스크톱 펜티엄 III 프로세서의 주요 모델 목록이다.
모델명
동작 클럭
L2 캐시
FSB
배수
코어 전압
TDP
소켓
[http://ark.intel.com/Product.aspx?id=27537 Pentium III 500E]
[http://ark.intel.com/Product.aspx?id=27531 Pentium III 1133]
1.133 GHz
133 MHz
8.5×
29.1 W
2. 3. 코퍼마인-T (Coppermine-T, 180nm)
코퍼마인-T는 2000년 8월에 출시된 펜티엄 III 프로세서로, 180 nm 공정으로 제조되었다. 이는 코퍼마인과 투알라틴 코어 사이의 과도기적 모델로 개발되었다.
이 개정판은 투알라틴에 적용된 저전압 시스템 로직을 지원하면서도, 이전 코퍼마인의 전압 사양 내에서 코어 전력을 공급하여 구형 소켓 370 시스템 보드와의 호환성을 유지하도록 설계되었다. 인텔은 cD0 스테핑의 FC-PGA2 코퍼마인을 기반으로, 일반적인 1.5V AGTL+ 신호 레벨뿐만 아니라 1.25V AGTL의 저전압 시스템 버스 작동도 지원하도록 수정했다. 또한 차동 또는 단일 종단 클록을 자동으로 감지하는 기능도 추가되었다. 이러한 특징 덕분에 최신 투알라틴 지원 소켓 370 보드와 구형 보드 모두에서 사용될 수 있었다. 코퍼마인-T는 양방향 대칭 멀티프로세싱 기능도 갖추었지만, 이는 투알라틴 지원 보드에서만 가능했다.
본래 코퍼마인-T는 차세대 펜티엄 III인 투알라틴과 코퍼마인 사이의 시스템 버스 전기적 호환성 문제를 해결하기 위한 임시 방편으로 개발되었다. 양쪽과 호환되도록 설계되었으나, 인텔이 펜티엄 III에서 펜티엄 4로 주력 제품을 빠르게 전환하기로 결정하면서 계획이 변경되었다. 인텔은 코퍼마인-T의 호환성이 펜티엄 4 판매에 방해가 될 수 있다고 판단하여, 투알라틴과의 시스템 버스 호환성 기능을 제거하고 출시했다. 결과적으로 코퍼마인-T는 코퍼마인과의 호환성이 낮은 특징만 남게 되었다.
코퍼마인-T는 종종 코퍼마인의 cD0 스테핑 또는 단순히 D 스테핑으로 불린다. D 스테핑 후기 코퍼마인과 마찬가지로, 코퍼마인-T 중 일부는 투알라틴처럼 히트 스프레더(IHS)를 갖춘 FC-PGA2 패키지로 출시되었다. 따라서 FC-PGA 버전과 FC-PGA2 버전이 혼재하며, 히트 스프레더 유무만으로 투알라틴과 구분하기는 어렵다. 이는 이후 코퍼마인 코어 기반 셀러론에서도 마찬가지였다.
코퍼마인-T 프로세서는 부품 번호에 "80533"이라는 숫자가 포함되어 있어 투알라틴 프로세서와 구별할 수 있다. 예를 들어, 1133 MHz 모델(SL5QK)의 부품 번호는 RK80533PZ006256이고, 1000 MHz 모델(SL5QJ)은 RK80533PZ001256이다.[11]
세 번째 개정판인 '''투알라틴'''(Tualatin, 코드명 80530)은 인텔의 새로운 130nm 공정을 적용한 첫 제품이다. 투알라틴 기반 펜티엄 III는 2001년 6월부터 2002년 초까지 1.0 GHz, 1.13 GHz, 1.2 GHz, 1.26 GHz, 1.33 GHz, 1.4 GHz의 속도로 출시되었다. 이전 세대인 코퍼마인(Coppermine) 코어의 공정을 축소한 버전으로, 펜티엄 4나 AMD 애슬론 XP와 유사한 데이터 사전 인출(prefetch) 로직이 추가되어 L2 캐시 효율을 높인 것 외에는 큰 기능 변화는 없었다. 하지만 프론트 사이드 버스(FSB)는 여전히 133 MHz에 머물러 대역폭 제한으로 인해 성능 향상에 한계가 있었다.[12]
투알라틴 코어는 256 KB 또는 512 KB의 L2 캐시를 탑재한 두 가지 버전으로 생산되었다. 512 KB L2 캐시 버전은 '''펜티엄 III-S'''라는 이름으로 출시되었으며, 주로 저전력 서버 시장을 겨냥했고 대칭형 멀티프로세싱(SMP)을 지원하는 유일한 투알라틴 라인업이었다. 반면, 256 KB L2 캐시 버전은 일반 펜티엄 III로 출시되었고 SMP 기능은 제거되었다.
물리적으로는 소켓 370 규격을 유지했지만, 신호 전압 방식이 기존 1.5 V AGTL+에서 1.25 V AGTL로 변경되었기 때문에 이전 세대 마더보드와는 호환되지 않았다.[12] 이 때문에 i815 칩셋 중에서도 B-스테핑 이후 버전만 투알라틴 프로세서를 공식적으로 지원했다.[13] 또한 인텔은 새로운 VRM(전압 조정 모듈) 가이드라인 버전 8.5를 도입하여 더 세밀한 전압 단계 조절과 부하에 따른 전압 변화(load-line Vcore)를 지원하도록 했다.[14][15][16] 일부 마더보드 제조사들은 소켓 색상을 기존 흰색에서 파란색으로 변경하여 투알라틴 지원 여부를 표시하기도 했다.
투알라틴 코어는 노트북용 프로세서인 '''펜티엄 III-M'''의 기반이 되어 큰 성공을 거두었다. 펜티엄 4가 소비 전력이 높아 모바일 환경에 적합하지 않았기 때문에, 펜티엄 III-M은 이후 2년간 인텔의 주력 모바일 칩으로 자리 잡으며 성능과 전력 효율 사이의 균형을 잘 맞춰 고성능 노트북 및 '씬앤라이트(thin and light)' 노트북 시장에서 널리 사용되었다.
투알라틴 기반 펜티엄 III는 일부 응용 프로그램에서 당시 최신 프로세서였던 윌라멧(Willamette) 기반 펜티엄 4나 선더버드(Thunderbird) 기반 애슬론과 비교해도 준수한 성능을 보였다. 그러나 앞서 언급된 마더보드 호환성 문제와 공식 지원 칩셋인 i815의 메모리 지원 용량이 512 MB로 제한된다는 점(이전 440BX 칩셋은 1 GB 지원) 때문에 대중적인 매력은 제한적이었다. 일부 사용자들은 기술적인 어려움에도 불구하고 기존 440BX 칩셋 보드에서 투알라틴을 사용할 수 있도록 개조하기도 했다.
결과적으로 인텔은 당시 AMD애슬론과의 경쟁에서 우위를 점하기 위해 차세대 주력 제품인 펜티엄 4의 보급에 집중했고, 투알라틴은 본래의 잠재력을 충분히 발휘하지 못하고 비교적 짧은 기간 동안만 생산되었다. 하지만 저전력, 저발열 특성 덕분에 노트북용 펜티엄 III-M과 블레이드 서버용 펜티엄 III-S는 펜티엄 4 시대에도 한동안 계속 판매되었다.
투알라틴 기반 펜티엄 III는 패키지 상단에 금속 재질의 통합 히트스프레더(Integrated Heat Spreader, IHS)가 부착된 형태로 출시되어 이전 코퍼마인 기반 프로세서와 외형적으로 구분되는 경우가 많다. IHS는 CPU 코어를 물리적으로 보호하고 히트싱크와의 접촉 면적을 넓혀 열 전달 효율을 높이는 역할을 한다. 코퍼마인 후기 모델 중 일부에도 IHS가 적용되었기 때문에, 정확히는 IHS의 유무가 FC-PGA2 패키지와 FC-PGA 패키지를 구분하는 특징이다. IHS가 도입되기 전에는 히트싱크 장착 시 CPU 코어 모서리가 파손될 위험이 있었는데, 130 nm 공정으로 코어 면적이 더 작아진 투알라틴에서는 이러한 위험이 더 커졌기 때문에 IHS가 필수적으로 적용되었다.[17]
투알라틴이라는 코드명은 인텔의 주요 생산 및 설계 시설이 위치한 미국오리건주의 투알라틴 밸리(Tualatin Valley)와 투알라틴 강(Tualatin River)에서 유래했다.
투알라틴 코어는 이후 P6 마이크로아키텍처의 아이디어를 계승하여 개발된 펜티엄 M CPU의 기반이 되었으며, 이는 다시 코어 마이크로아키텍처로 이어져 코어 2, 펜티엄 듀얼 코어, 셀러론, 제온 등 인텔의 주력 프로세서 라인업의 기초가 되었다. 이는 넷버스트 마이크로아키텍처를 사용했던 펜티엄 4와는 다른 발전 경로였다.
3. 개인 정보 보호 논란
펜티엄 III는 고유 식별 번호인 프로세서 일련 번호(PSN)를 포함한 최초의 x86 CPU였다. 이 PSN은 BIOS 설정에서 기능을 비활성화하지 않는 한, 소프트웨어가 CPUID 명령어를 통해 읽을 수 있어[20] 개인 정보 침해 가능성에 대한 우려를 낳았다.
1999년 11월 29일, 유럽 의회의 과학 기술 옵션 평가(STOA) 패널은 전자 감시 기술에 대한 보고서를 바탕으로, "이 칩이 유럽 시민의 컴퓨터에 설치되는 것을 방지"하기 위한 법적 조치를 고려할 것을 의회 위원들에게 요청했다.[21] 이는 기술 발전과 개인 정보 보호 사이의 긴장을 보여주는 사례가 되었다.
결국 인텔은 투알라틴 코어 기반 펜티엄 III부터 PSN 기능을 제거했으며, 이후 출시된 펜티엄 4와 펜티엄 M 프로세서에는 이 기능이 포함되지 않았다.
하지만 이와 거의 동일한 기능인 보호된 프로세서 식별 번호(PPIN)는 이후 인텔의 아이비 브릿지 아키텍처 CPU와 AMD의 Zen 2 아키텍처 CPU 등에 다시 추가되었다. 이 기능은 모델별 레지스터로 구현되며 머신 검사 예외 처리에 유용한 것으로 알려졌으나[22], 과거 PSN 논란 때와 달리 큰 주목을 받지는 않았다.
4. 펜티엄 III RNG (난수 생성기)
펜티엄 III에는 새로운 기능으로 하드웨어 기반 난수 생성기(RNG)가 추가되었다.[23][24] 이 난수 생성기는 여러 발진기의 출력을 결합하고, 그 결과로 생성된 파형을 비동기적으로 샘플링하는 방식으로 작동하는 것으로 알려져 있다.[25]
5. 펜티엄 III의 SSE 구현
카트마이(Katmai) 코어는 펜티엄 II "데슈츠(Deschutes)"와 동일한 250nm 공정으로 제작되었기 때문에, 제한된 실리콘 면적 안에서 SSE 명령어를 구현해야 하는 제약이 있었다.[18] 인텔은 이 문제를 해결하기 위해 기존의 64비트 데이터 경로를 두 번 사용하는 방식(더블 사이클링)을 채택하고, SIMD-FP(단일 명령어 다중 데이터-부동소수점) 곱셈 유닛과 기존 x87 스칼라 FPU의 곱셈기를 하나로 통합하여 128비트 아키텍처를 구현했다. 이 방식 때문에 카트마이는 각 SIMD-FP 명령어를 실행할 때 내부적으로 두 개의 μops로 나누어 처리했다.
이러한 구조는 SSE 명령어 처리 폭이 절반으로 줄어드는 단점이 있었지만, 인텔은 SIMD-FP 덧셈기를 별도의 유닛으로 만들어 두 번째 디스패치 포트에 배치하는 방식으로 성능을 보완했다. 이 덕분에 SIMD 곱셈 연산의 절반과 독립적인 SIMD 덧셈 연산의 절반을 동시에 처리할 수 있게 되어, 곱셈과 덧셈이 균형 있게 섞인 코드에서는 이론적으로 사이클당 최대 4개의 부동소수점 연산 처리량을 달성할 수 있었다.[4][19]
하지만 이러한 하드웨어 구현 방식은 SSE 명령어 세트가 본래 의도했던 병렬 처리 모델과는 차이가 있었다. 이로 인해 프로그래머들은 코드를 최적화할 때 딜레마에 빠졌다. 카트마이의 제한된 실행 유닛에 맞춰 코드를 최적화할 것인지, 아니면 더 많은 실행 유닛을 갖춘 미래의 프로세서에 맞춰 최적화할 것인지 선택해야 했다. 카트마이에 맞춰 SSE 코드를 최적화하면 당시 펜티엄 III 제품군에서는 최고의 성능을 낼 수 있었지만, 이후 등장한 코퍼마인(Coppermine) 코어나 펜티엄 4, 코어 시리즈 같은 후속 프로세서에서는 오히려 최적의 성능을 내지 못하는 결과를 낳았다.
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