Il microprocessore Pentium 4 ha molte caratteristiche nuove. Esso si basa su Intel NetBurst Micro-Architecture che migliora le performances rispetto alla vecchia architettura P6: possiede 20 pipeline, ha subito migliorie nell’ esecuzione dinamica, le ALU sono doppiamente cloccate, la cache L1 è tracciata, il bus di sistema è quadruplicato (quattro fronti da 100 Mhz), e SSE2.
Il cuore del Pentium 4 è una pipeline a 20 stadi realizzata con una tecnologia presa in prestito dall’Nvidia, la quale l’ha introdotta nella GPU Geforce.
La prima partita di Pentium 4 dovrebbe girare ad un frequenza di 1.4GHz o più grande.
La sventura del microprocessore moderno è il wasted cycle. Per minimizzare i wasted cycles Intel NetBurst Micro-Architecture include un profondo motore di esecuzione speculativa. Il Pentium 4 può tenere le sue unità logiche continuamente attive ad alimentate e perciò può realizzare una lavorazione più continua rispetto a quella del Pentium III. Intel rivela che con il P4 ha ridotto il numero di rami persi del 30% circa rispetto ad un P3. Questo è un risultato impressionante e dovrebbe fare una differenza significativa in termini di velocità rispetto ai predecessori.
Nel core di una CPU sono presenti le Unità Logico Aritmetiche (ALUs), le unità principali del microprocessore per il calcolo dei numeri interi. Intel ha modificato la chiamata alle ALUs e l’ha resa più veloce. Nel Pentium 4, l’ALUs opera ad una frequenza doppia rispetto al core, così certe istruzioni possono essere eseguite in metà tempo. In un Pentium 4 a 1.4GHz, l’ALUs opererebbe perciò al 2.8GHz, ed il raddoppio di frequenza va tutto a vantaggio della velocità delle CPU. Secondo Intel questo avrà come conseguenza maggior produttività nelle operazioni più complesse e latenza di esecuzione ridotta.

Il Pentium 4 possiede un tipo di instruzioni di primo livello per la cache chiamate trace cache. La trace cache immagazzina micro-operazioni decodificate, intorno a 12.000 di loro per ciclo, ed incolonna le micro-operazioni nelle linee del ramo con accesso più veloce, organizzandole.
Il Pentium 4 ha anche 256kb di Advanced Transfer Cache (ATC, Cache a trasferimento avanzato) che funziona alla stessa frequenza della CPU ed è collegata al core da un bus dati di 256-bit. Alla frequenza di 1.4GHz, questa cache possiede una banda di 40GB/s . Questa larghezza di banda scalerà in rapporto alla frequenza della CPU e ciò è molto importante in un CPU con una velocità di clock molto alta.

SSE 2
Il Pentium 4 ha 144 istruzioni nuove chiamate Streaming SIMD Extension 2 (SSE2). Questa estensione a MMX e SSE aggiunge l’abilità di manipolare numeri interi a 128-bit SIMD e numeri a doppia precisione decimale sempre a 128-bit SIMD.
Il software scritto per sfruttare le estensioni SSE2 può potenzialmente realizzare performances migliori. Nella riproduzione di video e parlato, nella crittazione e nell’elaborazione delle immagini si vedranno migliori performances grazie proprio alla migliore gestione dei numeri interi. Applicazioni finanziarie, ingegneristiche e scientifiche vedranno un grande aumento di velocità grazie alla potenza dell’elaborazione floating-point delle SSE2.
L’aspetto negativo di SSE2 è che tutte le applicazioni devono essere ricomplilate e possibilmente riscritte per sfruttare questa tecnologia. Intel ha avuto molto successo fra gli sviluppatori, i quali hanno già adottato MMX e SSE, e così, secondo Intel, succederà con SSE2 fra un paio di anni.

Nuovo Bus a 400 Mhz
Il più veloce Pentium III disponibile è studiato per lavorare con un FSB di 133MHz . Con circa 1GB/s di bandwidth, questo FSB agisce come una collo di bottiglia tra la CPU ed resto del sistema. Intel rimoverà questa collo di bottiglia col Pentium 4 usando un front side bus formato da un 100MHz quad-pumped, equivalente ad un FSB di 400MHz. 400MHz su un bus a 64 bit producono una larghezza di banda pari a 3.2GB/s, tre volte più ampia di quella che un Pentium III può maneggiare. Questa bandwidth manterrà la CPU collegata perennemente al chipset i850, nome in codice Tehama, il quale supporterà RDRAM con doppio bus di comunicazione.