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P6 (마이크로아키텍처)

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1. 개요

P6 마이크로아키텍처는 인텔의 6세대 마이크로프로세서 코어로, 1995년 펜티엄 프로에서 처음 도입되었다. 펜티엄의 후속으로 개발되어 서버 시장을 타겟으로 하였으며, 추론 실행 및 비순차적 명령어 처리 기술을 통해 성능을 향상시켰다. P6 아키텍처는 펜티엄 프로, 펜티엄 II, 펜티엄 III에 걸쳐 사용되었으며, 저전력, 뛰어난 정수 성능, 높은 사이클당 명령어(IPC)로 평가받았다. x86 명령어 집합을 RISC적 명령어 집합으로 변환하는 특징을 가지며, 슈퍼스칼라 구조와 투기적 실행, 아웃 오브 오더 실행, 레지스터 리네이밍 기능을 통해 명령어 처리 효율성을 높였다. P6 아키텍처는 펜티엄 M, 셀러론, 제온 등 다양한 프로세서의 기반이 되었으며, 2006년 코어 마이크로아키텍처에 의해 계승되었다.

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P6 (마이크로아키텍처)
P6 마이크로아키텍처
데슈츠 코어의 다이 사진
출시일1995년 11월 1일
가장 느린 클럭 속도150 MHz
가장 빠른 클럭 속도1.40 GHz
FSB (전면 버스) 가장 느린 속도66 MHz
FSB (전면 버스) 가장 빠른 속도133 MHz
L1 캐시펜티엄 프로: 16 KB (8 KB I 캐시 + 8 KB D 캐시)
L2 캐시128 KB ~ 512 KB
아키텍처x86-16, IA-32
확장 명령어 세트MMX (펜티엄 II/III/M)
마이크로아키텍처P6
트랜지스터 수550만개 500 nm
코어 수1
소켓소켓 8
모델펜티엄 프로 시리즈
이전 마이크로아키텍처P5
다음 마이크로아키텍처NetBurst, 모바일
지원 상태지원 중단

2. 역사적 배경

P6 마이크로아키텍처는 이전 세대와는 완전히 다른 설계를 기반으로 한다. 주요 특징은 다음과 같다.


  • x86 명령어 집합을 μOPs라고 불리는 단순한 RISC 명령어 집합으로 변환한다. 명령어에 따라 하나의 x86 명령어를 여러 μOPs로 분할/변환하는 명령어 변환 기구를 갖춘다.
  • 명령어 발행 계통을 3개나 갖춘 수퍼스칼라 구조이며, 6개의 실행 유닛을 갖고 동시에 5개의 명령어를 발행 및 실행할 수 있다.
  • 투기적 실행 기능과 아웃 오브 오더 실행 기능 및 레지스터 리네이밍 기능을 갖추고 있다.
  • μOPs 실행부는 RISC 프로세서이며, 10~14단계의 명령어 파이프라인을 갖는 수퍼 파이프라인 구조이다.
  • 긴 파이프라인을 효율적으로 동작시키는 분기 예측 기구와 벡터 프로세서 기능(펜티엄 III 이후)을 갖추고 있다.
  • CPU와 밀결합된 캐시 메모리를 갖추고 있으며, 일련의 쓰기를 버스 폭에 맞추는 고도의 라이트백 기능을 갖추고 있다.
  • 대칭형 멀티프로세서를 전제로 한 버스 프로토콜과 고주파수로 구동할 수 있는 GTL 버스 드라이브 방식을 채용한다.


펜티엄 II


시스템 레벨에서는 설계 당시 예상된 시스템의 대규모화를 고려하여 메모리 타입 범위 레지스터 (MTRR) 추가, 페이지 크기 확장(PSE), 물리 주소 확장(PAE)이 이루어졌다. 또한, 설계 오류(에라타) 대책으로 재작성이 가능한 컨트롤 스토어를 갖추어, 마이크로 코드를 소프트웨어로 재작성할 수 있게 되었다. BIOS 또는 운영체제를 통해 암호화된 코드 블록을 CPU에 써넣음으로써 치명적인 에라타를 회피할 수 있다.

펜티엄 프로는 32비트 명령어 처리에 최적화되어 설계되었으나, 당시 소비자 시장에서는 16비트 명령어 기반의 Windows 3.1, 95 및 MS-DOS가 주류를 이루어 16비트 환경에서 성능을 제대로 발휘하지 못했다. 그러나 32비트 명령어 기반의 Windows NT나 UNIX 계열 운영체제를 사용하는 서버 및 워크스테이션 시장에서는 안정성과 성능을 인정받아 성공을 거두었고, IA32 아키텍처가 엔트리 클래스 RISC 워크스테이션을 대체하는 기반을 마련했다.

이후 16비트 명령어 처리 성능을 개선하고 MMX 명령어 집합을 추가한 펜티엄 II가 출시되면서 P6 마이크로아키텍처는 소비자 시장에서도 널리 사용되기 시작했다.

2. 1. 펜티엄 프로

P6 마이크로아키텍처 기반의 첫 번째 프로세서인 펜티엄 프로는 1995년에 펜티엄(P5)의 후속으로 출시되었다.[1] 펜티엄 프로는 다음과 같은 새로운 기술들을 도입하여 성능 향상을 꾀했다.[1]

  • 추론 실행(Speculative execution)과 비순차적 명령어 처리(out-of-order): 파이프라인의 지연(Stall)을 줄여 프로세서의 속도를 향상시켰다.[1]
  • 슈퍼파이프라인(Superpipelining): 펜티엄의 5단계 파이프라인을 14단계로 늘려 성능을 개선했다.[1]
  • PAE(Physical Address Extension)와 36비트 어드레스 버스: 64GB의 물리적 메모리를 지원했지만, 프로세서의 선형 주소 공간은 여전히 4GB로 제한되었다.[1]
  • 레지스터 개명(Register Renaming): 파이프라인에서 여러 명령어의 실행을 더 효율적으로 처리할 수 있게 했다.[1]
  • CMOV 명령어: 컴파일러를 통한 최적화에 많이 사용되었다.[1]


P6 아키텍처는 펜티엄 프로에서 펜티엄 III까지 세 세대에 걸쳐 사용되었으며, 저전력, 뛰어난 정수 성능, 그리고 상대적으로 높은 사이클당 명령어 처리 횟수(IPC)로 알려져 있다.[1]

2. 2. 펜티엄 II

펜티엄 프로의 단점을 보완하고 MMX 기술을 추가하여 소비자 시장을 공략한 CPU이다. 펜티엄 II는 Klamath와 Deschutes 코어 디자인을 사용했다.

항목내용
코드명Klamath, Deschutes
MMX 기술추가
16비트 처리 성능개선
L1 캐시증가
기타 특징Deep Sleep


3. 주요 특징

P6 마이크로아키텍처는 이전 세대와는 완전히 다른 설계를 기반으로 한다. 주요 특징은 다음과 같다:


  • '''추론 실행(Speculative execution)과 비순차적 명령어 처리(out-of-order):''' 파이프라인의 지연(Stall)을 줄여 프로세서 속도 향상에 기여했다.
  • '''물리 주소 확장(PAE):''' 36비트 어드레스 버스를 통해 64GB의 물리적 메모리를 지원한다. (프로세서의 선형 주소 공간은 여전히 4GB로 제한)
  • '''레지스터 개명(Register Renaming):''' 파이프라인에서 여러 명령어의 실행을 더 효율적으로 처리한다.
  • '''CMOV 명령어:''' 컴파일러를 통한 최적화에 많이 사용된다.
  • '''벡터 프로세서 기능''' (펜티엄 III 이후)
  • '''고주파수로 구동할 수 있는 GTL 버스 드라이브 방식 채용'''


시스템 레벨에서는 메모리 타입 범위 레지스터(MTRR) 추가, 페이지 사이즈 확장(PSE), 어드레스 버스 확장(PAE)이 이루어졌다. 또한, 설계 오류(에라타) 대책으로 재작성 가능한 컨트롤 스토어를 갖추어, 마이크로 코드를 소프트웨어로 재작성할 수 있게 되었다. 이를 통해 BIOS 또는 운영체제를 통해 암호화된 코드 블록을 CPU에 써넣음으로써 치명적인 에라타를 회피할 수 있다.

P6 마이크로아키텍처 기반 최초 제품인 펜티엄 프로는 32비트 명령어 처리에 최적화되어, 당시 16비트 명령어가 주류였던 소비자 시장(Windows 3.1, 95, MS-DOS)에서는 성능을 충분히 발휘하지 못했다. 그러나 32비트 명령어 기반의 Windows NT나 UNIX 계열 운영체제를 사용하는 서버 및 워크스테이션 시장에서는 칩셋과 함께 안정성과 성능을 인정받아 성공을 거두었다.

이후 16비트 명령어 실행 속도를 개선하고 MMX 명령어 집합을 추가한 펜티엄 II가 출시되면서, P6 마이크로아키텍처는 소비자 시장에도 널리 보급되었다.

3. 1. 명령어 처리

P6 마이크로아키텍처는 x86 명령어 집합을 μOPs라고 불리는 더 단순한 RISC적 명령어 집합으로 변환하여 처리한다. 명령어에 따라 하나의 x86 명령어를 여러 μOPs로 분할/변환하는 명령어 변환 기구를 갖추고 있다.

명령어 변환 기구는 명령어 발행 계통을 3개나 갖춘 슈퍼스칼라 구조를 가지며, 6개의 실행 유닛을 통해 동시에 5개의 명령어 발행 및 실행이 가능하다. 투기적 실행, 아웃 오브 오더 실행, 레지스터 리네이밍 기능을 갖추어 명령어 처리 효율을 높였다.

μOPs 실행부는 RISC 프로세서이며, 10~14단계의 파이프라인 스테이지를 갖는 슈퍼 파이프라인 구조이다. 긴 파이프라인을 효율적으로 동작시키기 위해 분기 예측 기구를 갖추고 있다. 펜티엄 III 이후에는 벡터 프로세서 기능도 추가되었다.

3. 2. 파이프라인 구조

P6 마이크로아키텍처는 10~14단계의 파이프라인 스테이지를 갖는 슈퍼 파이프라인 구조이다.[1] 펜티엄의 5단계 파이프라인에서 펜티엄 프로에서는 14단계, 펜티엄 III는 10단계, 펜티엄 M에서는 12~14단계로 증가했다.[1]

긴 파이프라인을 효율적으로 동작시키기 위해 분기 예측 기구를 갖추고 있다.[1] 펜티엄 M은 분기 예측 테이블에 글로벌 히스토리를 추가했다.[1]

3. 3. 캐시 메모리

CPU와 밀결합된 캐시 메모리를 갖추고 있다.[1] 일련의 쓰기를 버스 폭에 맞추는 고도의 라이트백 기능을 갖추고 있다.[1] 대칭형 멀티프로세서를 전제로 한 버스 프로토콜을 갖추고 있다.[1]

4. P6 기반 프로세서

P6 마이크로아키텍처를 기반으로 개발된 프로세서들은 다음과 같다.


  • 펜티엄 프로: P6 마이크로아키텍처를 처음 사용한 프로세서이다.
  • 펜티엄 II: 펜티엄 프로의 후속 제품으로, MMX 명령어와 싱글 에지 컨택 카트리지(Single Edge Contact Cartridge, SECC) 패키징 기술이 추가되었다.
  • 셀러론: 펜티엄 II 기반의 저가형 프로세서로, 초기 모델은 2차 캐시가 없거나 용량이 작았다. 이후 오버클럭을 통해 인기를 얻었다.
  • 펜티엄 II 제온: 서버 및 워크스테이션용 프로세서로, 펜티엄 II보다 큰 용량의 L2 캐시와 멀티프로세싱 기능을 지원했다.
  • 펜티엄 III: 펜티엄 II의 개선판으로, SSE 명령어가 추가되었다.
  • 펜티엄 III 제온: 펜티엄 III 기반의 서버 및 워크스테이션용 프로세서이다.
  • 펜티엄 M: 넷버스트 마이크로아키텍처의 모바일 환경 부적합으로 인해, P6를 최적화하여 설계된 모바일 프로세서이다. 저전력 및 고효율로 노트북 시장에서 인기를 얻었다.


P6 마이크로아키텍처 기반 프로세서
프로세서주요 특징세부 내용
펜티엄 프로P6 아키텍처 최초 적용추론 실행(Speculative execution), 비순차적 명령어 처리(out-of-order), PAE, 레지스터 개명(Register Renaming), CMOV 명령어
펜티엄 IIMMX 명령어 추가, 싱글 에지 컨택 카트리지(SECC) 패키징펜티엄 II 오버드라이브 (소켓 8)
셀러론저가형, 초기 모델은 L2 캐시 없거나 작음, 오버클럭으로 인기코빙턴/멘도시노/코퍼마인/튜알라틴 변종
펜티엄 II 제온서버/워크스테이션용, 대용량 L2 캐시, 멀티프로세싱 지원
펜티엄 IIISSE 명령어 추가펜티엄 III 제온
펜티엄 M모바일용, 저전력, 고효율, 쿼드 펌프 FSB, 확장된 L2 캐시, SSE2베니어스/도선, 향상된 펜티엄 M (요나)



P6 아키텍처는 펜티엄 프로에서 펜티엄 III까지 세 세대에 걸쳐 사용되었으며, 저전력, 뛰어난 정수 성능, 높은 IPC(Instructions Per Cycle)로 알려져 있다.[6]

4. 1. 펜티엄 M

펜티엄 4-M과 모바일 펜티엄 4는 넷버스트 마이크로아키텍처가 모바일 환경에 적합하지 않음을 보여주었다. 넷버스트 기반 프로세서는 이전 P6 세대보다 에너지 효율성이 낮았고, 펜티엄 III-M보다 발열이 높았으며 성능 향상도 크지 않아 냉각 시스템과 배터리 사용 시간에 부정적인 영향을 미쳤다.

인텔은 넷버스트의 모바일 분야 한계를 인지하고 P6 아키텍처를 최적화한 펜티엄 M을 개발했다. 펜티엄 M은 낮은 전력 소비와 높은 성능을 통해 노트북용 x86 프로세서 시장에서 효율성을 인정받았다. 최대 부하 시 27와트, 유휴 상태에서 4~5와트를 소비했다.

4. 1. 1. 베니어스/도선

펜티엄 M넷버스트 마이크로아키텍처가 모바일 분야에 적합하지 않다는 인텔의 판단에 따라, P6 아키텍처를 최적화하여 설계되었다. 펜티엄 M은 노트북용으로 에너지 효율성이 뛰어난 프로세서로, 최대 27와트, 유휴 상태에서 4-5와트의 전력을 소비했다.[6]

펜티엄 M의 주요 특징은 다음과 같다.

  • 쿼드 펌프 프런트 사이드 버스(FSB): 초기 베니어스 코어는 400MHz FSB를, 도선 코어는 533MHz FSB를 사용한다.
  • 확장된 L2 캐시: 베니어스는 1MB, 도선은 2MB의 L2 캐시를 탑재했다. 수면 상태에서 동적인 캐시 활성화 기능을 통해 전력 효율성을 높였다.
  • SSE2 명령어 지원
  • 12-14단계의 명령어 파이프라인으로 펜티엄 III-M보다 더 높은 클럭 속도를 달성했다.
  • 전담 레지스터 스택 관리
  • 분기 예측 테이블에 글로벌 히스토리 추가
  • 마이크로 융합(Micro Fusion): X86 명령어를 더 적은 RISC 마이크로 연산으로 병합하여 처리 효율성을 높였다.


초기 펜티엄 M("Banias")은 PAE를 지원하지만 CPUID 정보에 PAE 지원 플래그를 표시하지 않아 일부 운영 체제에서 부팅을 거부하는 문제가 있었다.[7] 윈도우 8 이후 버전에서도 동일한 이유로 부팅을 거부한다.[8]

4. 1. 2. 향상된 펜티엄 M (요나)

요나(Yonah) CPU는 2006년 1월 코어 브랜드로 출시되었다. 싱글 코어 및 듀얼 코어 모바일 버전은 코어 솔로, 코어 듀오, 펜티엄 듀얼 코어 브랜드로 판매되었으며, 서버 버전은 제온 LV로 출시되었다. 이 프로세서는 펜티엄 M의 몇 가지 단점을 개선하였다.

  • SSE3 지원
  • 2MB 공유 L2 캐시를 갖춘 싱글 및 듀얼 코어 기술 (프로세서 구성 재구성)
  • FSB 속도 증가 (533 MT/s 또는 667 MT/s)
  • 12단계 명령 파이프라인


요나는 P6와 다음 코어 마이크로아키텍처 사이의 중간 단계인 저전압 전용 CPU를 위한 임시 마이크로아키텍처였다.

4. 2. 셀러론

펜티엄 II를 기반으로 멀티 프로세서 기능 및 2차 캐시 메모리를 삭제한 초대 셀러론은 저렴한 가격으로 출시되었다. 2차 캐시 메모리의 접근 대역폭이 좁아져 가격이 저렴해졌고, 클럭 속도 향상을 방해하는 2차 캐시 메모리가 없다는 점은 오히려 오버클럭 붐을 일으켜 셀러론을 인기 상품으로 만들었다. 또한 일본의 사용자들은 간단한 수정을 통해 셀러론의 멀티 프로세서 기능을 복구하는 방법을 발견했다. 이 아이디어를 이용한 주변 기기 제조사의 제품을 통해 사용자들은 저렴한 셀러론으로 멀티 프로세서 환경을 구축할 수 있게 되었다. RSA가 주최한 "56비트 시크릿 키 챌린지"에 참가한 [http://www.distributed.net/ Distributed.net]에 매우 많은 수의 셀러론 프로세서 컴퓨터가 등록된 것을 통해 셀러론에 의해 P6 마이크로아키텍처가 얼마나 보급되었는지 알 수 있다.

인텔은 P6 마이크로아키텍처에 머무르지 않고 데스크톱 및 모바일에서 고성능 고기능 제품에는 펜티엄, 저가 제품에는 셀러론이라는 두 개의 브랜드 체제를 갖추게 되었다.

4. 3. 제온

펜티엄 프로의 후속 제품으로 서버 및 워크스테이션 시장을 겨냥한 제품이 제온 프로세서이다. 초대 제온은 펜티엄 II 코어를 기반으로 백사이드 버스가 강화되었으며, 코어와 별도로 탑재되었던 2차 캐시 메모리에 코어와 동일한 동작 주파수로 접근할 수 있도록 개선되었다. 또한 2차 캐시 메모리 용량도 펜티엄 II에 비해 대용량화(512KB, 1MB, 2MB)되었다. 펜티엄 II와 펜티엄 III 제온은 4개의 CPU까지의 대칭형 멀티프로세싱(SMP)을 지원한다. 외관상 방열성을 고려하여 거대한 카트리지에 조립되어 있으며, 소켓은 SC330(구칭 슬롯 2)이다.

이후 제온 브랜드는 서버 등 기간 업무, 데이터베이스, 네트워크 시스템을 위한 고수익 라인 상품의 간판이 되었다. 고수익의 제온 프로세서는 인텔의 저가 시장에서의 수익성을 보완함으로써 저가 시장용 제품밖에 없었던 AMD에 대한 가격 인하 공세의 원천이 되었다. 펜티엄 II 제온에서 펜티엄 III 제온으로 계승되었고, NetBurst 마이크로아키텍처 제품으로 계승되었다.

5. 후속 아키텍처

코어 마이크로아키텍처는 2006년 7월 27일 코어 2 프로세서 형태로 출시된 P6의 파생 제품이다. 이후 코어 2, 제온, 펜티엄, 셀러론 브랜드로 출시되는 프로세서에 사용되었다. 코어 마이크로아키텍처는 FSB를 사용하는 인텔의 마지막 주류 프로세서 라인이었으며, 이후 네할렘부터는 통합 메모리 컨트롤러와 QPI 또는 DMI 버스를 사용한다.[9]

인텔 코어 프로세서에 비해 다음과 같은 개선 사항이 있었다.[9]


  • 14단계 명령 파이프라인으로 더 높은 클럭 속도를 지원한다.
  • 45nm 리소그래피로 제조된 모든 코어 2 모델에 대해 SSE4.1을 지원한다.
  • 이전에는 펜티엄 4 프레스콧 프로세서에서만 제공되었던 64비트 x86-64 아키텍처를 지원한다.
  • FSB 속도가 533 MT/s에서 1600 MT/s로 증가했다.
  • L2 캐시 크기가 1MB에서 12MB까지 증가했다. (코어 2 듀오는 공유 L2 캐시를 사용하고, 코어 2 쿼드는 각 코어 쌍이 총 캐시의 절반을 공유한다.)
  • 일부 모바일 모델에는 동적 프론트 사이드 버스 스로틀링 기능이 추가되어, FSB 속도와 프로세서 속도를 절반으로 줄여 저전력 소비 모드(Super Low Frequency Mode)로 전환하여 배터리 수명을 연장한다.
  • 일부 모바일 코어 2 듀오 프로세서에는 Dynamic Acceleration Technology, 모바일 코어 2 쿼드 프로세서에는 Dual Dynamic Acceleration Technology가 적용되었다. Dynamic Acceleration Technology는 하나의 프로세서 코어를 끄고 오버클럭하며, Dual Dynamic Acceleration Technology는 두 개의 코어를 비활성화하고 두 개의 코어를 오버클럭한다. 이 기능은 응용 프로그램이 코어 2 듀오의 경우 단일 코어, 코어 2 쿼드의 경우 최대 두 개의 코어를 사용할 때 작동하며, 클럭 승수를 1씩 증가시켜 오버클럭을 수행한다.


이러한 모든 칩은 기술적으로 펜티엄 프로의 파생 제품이지만, 아키텍처는 시작 이후 몇 가지 큰 변화를 겪었다.[9]

참조

[1] 웹사이트 Pentium® Pro Processor at 150 MHz, 166 MHz, 180 MHz and 200 MHz https://www.dexsilic[...] Intel Corporation 1995-11
[2] Mailing List Defaulting to i686 for the Debian i386 architecture https://lists.debian[...] 2015-09-28
[3] 간행물 Intel's P6 Uses Decoupled Scalar Design http://www.cs.cmu.ed[...] 1995-02-16
[4] 서적 Pentium and Pentium Pro Processors and Related Products https://archive.org/[...] Intel Corporation 1995-12
[5] 서적 The Intel Microprocessors https://userpages.um[...] Pearson Prentice Hall 2009
[6] 웹사이트 Intel's 90nm Pentium M 755: Dothan Investigated http://www.anandtech[...] 2004-07-21
[7] 웹사이트 PAE - Community Help Wiki https://help.ubuntu.[...]
[8] AV media Can You Install Windows 10 on a Pentium II? https://youtube.com/[...]
[9] 웹사이트 Pat Gelsinger talk at Stanford, Jun 7th 2006 http://ee380.stanfor[...]



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