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2000年，Intel发布了Pentium 4处理器。Pentium 4在结构设计上没有沿用Pentium III的架构，而是采用了全新的设计理念。包括等效于400MHz的前端总线（100x4）、SSE2指令集、256～512KB的二级缓存、全新的超管线技术及NetBurst架构等技术。
Pentium 4处理器集成了4200万个晶体管，改进版的Pentium 4（Northwood）更是集成了高达5500万个晶体管，并且开始采用0.18μm技术进行制造，初始速度就达到了1.5GHz。
第一个Pentium 4核心为Willamette，采用全新的Socket 423插座，集成256KB的二级缓存，支持更强大的SSE2指令集，多达20级的超标量流水线，搭配i850/i845系列芯片组，这使得Pentium处理器的性能大幅度提高。随后，Intel陆续推出了1.4～2.0GHz的Willamette P4处理器，但后期的P4处理器均转到了针脚更多的Socket 478插座。
2001年，Intel发布了第二个Pentium 4核心，代号为Northwood，改用了更精细的0.13μm技术，集成了更大的512KB二级缓存，性能有了大幅提高。其后，Intel又不断改进系统总线技术，推出了FSB533、FSB800的新规格，将数据传输速度进一步提升，并且在最新的Pentium 4处理器中，Intel已经支持双通道DDR技术，让内存与处理器传输速度也有很大的改进。加上Intel不断的推广和主板芯片厂家的支持，目前Pentium 4已经成为很受欢迎的中高端处理器。
Pentium 4还提供了SSE2指令集，这套指令集增加了144个全新的指令。例如，在进行128位数据压缩时，在SSE执行时，仅能以4个单精度浮点值的形式来处理，而在SSE2指令集上执行时，能采用多种数据结构来处理，即4个单精度浮点数（SSE）对应2个双精度浮点数（SSE2）；对应16字节数（SSE2）；对应8个字数（word）；对应4个双字数（SSE2）；对应2个四字数（SSE2）；对应1个128位长的整数（SSE2）等。
用户使用基于Pentium 4处理器的个人计算机，可以创建专业品质的影片，通过因特网传递电视品质的影像，实时进行语音、影像通信、实时3D渲染及快速进行MP3编码解码运算，在连接因特网时运行多个多媒体软件等。
Pentium 4还引入了NetBurst新架构，NetBurst架构的好处主要包括如下内容。
1）较快的系统总线（Faster System Bus）。
2）高级传输缓存（Advanced Transfer Cache）。
3）高级动态执行（Advanced Dynamic Execution）：包含执行追踪缓存（Execution Trace Cache）、高级分支预测（Enhanced Branch Prediction）。
4）超长管道处理技术（Hyper Pipelined Technology）。
5）快速执行引擎（Rapid Execution Engine）。
6）高级浮点以及多媒体指令集（SSE2）。