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AMD A10/A8/A6/A4 Kaveri (Steamroller) - APUs der vierten Generation
A10-7850K, A10-7700K und A8-7600 sind die ersten Prozessoren aus dem Hause AMD, die auf der neuen Kaveri-Serie aufbauen. Kaveri ist der ominöse Name, der lange Zeit in Fachmagazinen angekündigt wurde und den AMD zu Beginn des Jahres 2014 endlich in Form der zuvor genannten Desktop-Prozessoren auf dem Markt brachte. Auch wenn es AMD wieder nicht gelungen ist, den Branchenprimus Intel mit seinem Musterknaben Core i7 vom Leistungsthron zu stoßen, ist Kaveri viel mehr als einfach nur eine optimierte APU: erstmals bilden Prozessor und integrierte Grafikkarte ein einheitliches Ökosystem, das für gemeinsame Aufgaben genutzt werden kann. Der Traum vieler Entwickler, die integrierten und hochspezialisierten Grafikchips auch für "normale" Rechenaufgaben nutzen zu können, hat AMD bei den Kaveri-Prozessoren umgesetzt. Dieses Prinzip ist aber nicht ganz neu und unter der Bezeichnung GPU-Computing bekannt: bereits heute kann bei Spezialanwendungen wie bsp. das Bitcoin-Mining, SETI oder Adobe Photoshop die Grafikkarte zur Berechnung hinzugezogen werden. Mit Kaveri wird dieses Prinzip quasi standardisiert und für den Entwickler vereinfacht.
Was AMD mit Kaveri erschaffen hat, ist das Ergebnis der Übernahme von ATi aus dem Jahre 2006 und der konsequenten Weiterentwicklung der hauseigenen APUs, sprich die Kombination aus Prozessor und integrierter Grafikeinheit. AMD bleibt also weiterhin der Vorreiter, den Prozessor als hervorragenden Allround-Rechenknecht mit den Spezialfähigkeiten eines Grafik-Prozessors zu vereinen. Wo bei den "Super-Chips" der Vorgänger-Serien wie Llano, Piledriver oder Richland der Prozessor und die integrierte Grafikkarte noch zwei völlig unterschiedliche Einheiten darstellten, die nur umständlich und mit Leistungseinbußen zur Zusammenarbeit überredet werden konnten, kann nun auch die Grafikkarte auf den gesamten Speicherbereich des Computers zugreifen und den Prozessor bei der Berechnung unterstützen. Vorbei sind die Zeiten, als Tonnen von Daten zwischen CPU und GPU hin- und herkopiert werden mussten.
Die Symbiose aus Prozessor und Grafikkarte ist sicherlich der spannendste Punkt der Kaveri-Serie. Es gibt aber noch zahlreiche weitere Erneuerungen, welche die AMD-Ingenieure einfließen lassen haben. Hier die Zusammenfassung der Kaveri-Keyfacts, auf die im Laufe dieses Artikels eingegangen wird:
- Neue Mikroarchitektur Steamroller
- Transistor-Shrinking (32 auf 28nm) und > 80% höhere Transistoren-Dichte
- Symbiose von Prozessor und Grafikkarte: HSA (Heterogenous System Architecture), Compute Unit, hUMA
- Bessere Grafikleistung durch GCN-Architektur: aktuelle Radeon R7/R9 Grafik-Features
- TrueAudio: hardwareseitige Audio- und Videoberechnung
- Mantle als Ersatz für DirectX
- Neuer Sockel FM2+
Vorweg sei gesagt, dass AMD Kaveri-Prozessoren perfekt für günstige Multimedia- und Gaming-PCs geeignet ist. Obwohl AMD die CPU-Leistung im Vergleich zu Piledriver um bis zu 20% steigern konnte, bleibt Intel im Besitz der Leistungskrone. Aber was will man erwarten, wenn eine High-End-CPU zur Markteinführung gerade einmal 175 Euro kostet? Wer nach maximaler Leistung sucht und ein ausreichendes Budget zur Verfügung hat, sollte eher bei den Core i7 und i5 Modellen zugreifen. Wer auf einige Prozentpunkte bei der Leistung verzichten kann, ein gutes Preis-/Leistungsverhältnis sucht und vorwiegend 3D-Games spielt, wird mit AMD's Kaveri sehr zufrieden sein. Selbst AMDs Flaggschiffe der A10-Serie sind eher auf dem Leistungsniveau von Intels Core i3 Prozessoren zu finden. Folgendes Motto gilt: "Keine High-EndLeistung, sondern sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis (Intel = Maximal, AMD = Minimalprinzip)"
Neue High-End-CPU AMD A10-7700K für gerade einmal 150 Euro -
Da darf man keine High-End-Leistung erwarten
Technische Daten von Kaveri - neue Mikroarchitektur Steamroller
Der Kaveri-Kern, wie er in den AMD A10-, A8- und kommenden A6- und A4-Prozessoren zum Einsatz kommt, basiert auf der ebenfalls neuen Steamroller-Mikroarchitektur. Steamroller gehört nun zur vierten Generation der AMD APUs, die mit der Bulldozer-Mikroarchitektur eingeführt wurden. Wichtigstes Merkmal von Steamroller und somit auch Kaveri ist das verfeinerte Herstellungsverfahren, welches von 32 auf 28nm verkleinert wurde. Dieser Schritt ist vergleichsweise gering und es wird erst auf den zweiten Blick sichtbar, wo die Vorteile liegen. Genau gesagt heißt das 28nm Herstellungsverfahren SHP (Super High Performance). Wo die Vorgänger-Richland-Prozessoren für hohe Taktraten mit bis zu 4,4 GHz ausgelegt waren, ist das SHP-Herstellungsverfahren für komplexe Chips mit einer hohen Transistoren-Dichte geeignet. Kurz gesagt: weniger Takt, aber komplexere Architektur und bessere Energieeffizienz.
Deutlich wird das bei Betrachtung der Dimensionen. AMD steigert im Vergleich zu Richland die Anzahl der Transistoren von 1,3 auf 2,41 Milliarden Transistoren. Das entspricht mit 85% fast einer Verdopplung der Transistoren. Gleichzeitig wächst die DIE-Fläche nur minimal von 236 auf 245mm. Durch das angesprochene Shrinking auf 28nm entsteht aber gerade einmal mehr Fläche in Höhe von 26%. AMD verdichtet die Transistoren demzufolge deutlich, so dass die Transistoren-Dichte deutlich sichtbar steigt:
| Dichte Transistoren | ||||||||
| Herstellungsverfahren | Anzahl Transistoren | DIE-Größe | Transistoren pro mm2 | |||||
| Kaveri | 28nm | 2.410 Mio. | 245 mm2 | 9,8 Mio. | ||||
| Richland | 32nm | 1.300 Mio. | 246 mm2 | 5,3 Mio. | ||||
| Llano | 32nm | 1.178 Mio. | 228 mm2 | 5,2 Mio. | ||||
| Haswell | 22nm | 1.400 Mio. | 177 mm2 | 7,9 Mio. | ||||
AMD packt also mit 9,8 Millionen wesentlich mehr Transistoren auf einen mm2. Die Veränderungen im Vergleich zum Vorgänger Piledriver bleiben auf dem Datenblatt vergleichsweise gering, da bei den interessanten Befehlserweiterungen keine Erneuerungen zu finden sind. AMD hat bei der Steamroller-Architektur den Fokus auf das GPU-Computing (Verwendung der Grafikkarte für normale Berechnungen) und eine verbesserte Grafikleistung gelegt. Hier eine Auflistung der AMD A-Prozessoren der vierten Generation:
| Modell (Klick für Info) | K e r n e | Takt (MHz) | T u r b o | FSB | Multi | Core | L1 (KB) | L2 (KB) | L3 (KB) | Hrst. (nm) | Temp | Socket | Volt | Watt | 64 Bit | M M X | 3 D N o w | S S E | S S E 2 | S S E 3 | S S E 4.1 | S S E 4.2 | A V X | A V X 2 | M e m | V G A | |||||||||||||||||||||||
| A10 7850K | 4 | 3700 |  | 5000 UMI | 37,0 | Kaveri | 384* | 4096* | --- | 28 | 72,4°C | FM2+ | 95,0 | | |  | | | | | | | | | | ||||||||||||||||||||||||
| A10 7700K | 4 | 3400 | | 5000 UMI | 34,0 | Kaveri | 384* | 4096* | --- | 28 | 72,4°C | FM2+ | 95,0 | | | | | | | | | | | | | ||||||||||||||||||||||||
| A8 7600 | 4 | 3300 | | 5000 UMI | 33,0 | Kaveri | 384* | 4096* | --- | 28 | 72,4°C | FM2+ | 65,0 | | | | | | | | | | | | | ||||||||||||||||||||||||
| Quelle: Prozessorlisten * Cache addiert | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Neuer Sockel FM2+
Mit den neuen AMD A10 und A8 Prozessoren erhält auch ein neuer Sockel namens FM2+ Einzug in die Mainboards. Der Sockel FM2+ unterscheidet sich in gerade einmal 2 Pins im Vergleich zum Vorgänger Sockel FM2 und ist somit fast baugleich. Das erfreuliche ist, dass ältere Trinity und Richland APUs mit Sockel FM2 auch auf Mainboards mit Sockel FM2+ betrieben werden können. Sockel FM2+ ist also abwärtskompatibel zu FM2.
Umgekehrt funktioniert es leider nicht: eine AMD Kaveri APU mit Sockel FM2+ lässt sich leider nicht auf einem Mainboard mit Sockel FM2 betreiben.
Heterogeneous System Architecture (HSA) - Kraft der zwei Herzen (CPU & GPU)
Heterogen ist das Gegenteil von homogen und bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich hinter der AMD APU "unterschiedliche" Rechenwerke befinden. Konkret gesagt können der CPU- und der Grafik-Teil zur Berechnung herangezogen werden, was bereits unter dem Namen GPU-Computing bekannt ist. Grafikkarten sind wahre Rechenspezialisiten und wurden in der Vergangenheit kaum genutzt, da sie lediglich in 3D-Spielen oder Multimedia-Anwendungen genutzt werden. Dabei ist ihre Rechenleistung vor allem bei parallelen Aufgaben überdurchschnittlich hoch. Mit den neuen Kaveri-Prozessoren und der Steamroller-Mikroarchitektur bietet AMD die Möglichkeit an, auch für normale Rechenaufgaben die Grafikkarte dazuzuholen.
Das Besondere, Neuartige und Aufwendige der AMD-Technik ist, dass das Rechenwerk heterogen (CPU & GPU = Äpfel & Birnen), der Zugriff für Anwendungen wie Photoshop aber homogen ist. In der Vergangenheit war GPU-Computing mit enormen Mehraufwand verbunden. So entstand beispielsweise ein enorm hoher Kopieraufwand, da Prozessor und Grafikkarte nicht auf denselben Speicherbereich zugreifen konnten. Die Daten mussten erst vom Arbeitsspeicher über den PCI-Bus in den Grafikspeicher kopiert werden, um dort von der Grafikkarte verarbeitet zu werden. Das Ergebnis musste anschließend wieder den Weg zurück in den Arbeitsspeicher finden. Dieser Kopiervorgang sorgt nicht nur für Leistungseinbußen, sondern auch für Mehrarbeit für den Entwickler.
Die Lösung dieses Problems lautet heterogeneous unified memory architecture (hUMA), wodurch sowohl der CPU- als auch GPU-Part der AMD APU auf ein und denselben Speicherbereich zugreifen können. Das aufwendige und verlustreiche Arbeiten von Datenkopien entfällt. Die Technik hinter hUMA ist relativ komplex und daher nur eine einfache Erklärung: mittels hUMA fasst AMD den Arbeitsspeicher und Grafikspeicher zu einem großen virtuellen Speicher zusammen. Der CPU- bzw. GPU-Part wissen letztendlich nicht, ob sich die Daten gerade im Arbeits- oder Grafikspeicher befinden.
An dieser Stelle soll die Erläuterung von HSA abgekürzt werden. Für weitere Informationen zu diesem Thema empfiehlt sich der Artikel von Anandtech: A Deep Dive on HSA (Englisch).
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Compute Core - AMDs Versuch, CPU & GPU einheitlich zu vermarkten
So erfolgversprechend die Idee eines Super-CPU-GPU-Chips ist, desto schwieriger wird es für Anwender und Journalisten, AMDs APUs mit Vorgängern oder Konkurrenz-Prozessoren zu vergleichen. Es ist nachvollziehbar, dass ein Prozessor wesentlich schneller Aufgaben erledigt, wenn ihn die Grafikeinheit unterstützt. Ein Quadcore-Prozessor mit HSA-Support ist schneller als ein Quadcore ohne HSA. Das ist jedem von uns klar. Um letzteres kenntlich zu machen, versucht AMD Äpfel mit Birnen zu vergleichen und führt den Begriff Compute Core ein. Die Definition seitens AMD lautet: "Ein Compute Core ist eine eigenständige Einheit, die mindestens einen Prozess in einem eigenen Kontext (Speicher) verarbeiten kann".
Am Beispiel des A10-7850K betrachten wir diese Aussage etwas genauer. Dieses Modell besteht aus insgesamt 12 Compute Cores, wovon vier die CPU und acht die GPU bereitstellt. Letztere besteht aus 512 Streamprozessoren, die genau zu diesen 8 Compute Cores zusammengefasst werden. Nach Adam Riese besteht ein solcher Compute Core aus 64 Streamprozessoren (512 / 8 = 64). Werfen wir nun einen Blick auf die CPU rüber. Der A10-7850K ist ein Quadcore-Prozessor und besteht somit aus 4 Prozessorkernen. Hieraus resultieren direkt die Compute Units und spätestens jetzt merkt man, dass man Äpfel und Birnen miteinander vergleicht. Die Compute Cores sind unterschiedlicher Art (1x Prozessorkern vs. 64x Streamprozessoren) .
Es wird die Zukunft zeigen, wie gut das Marketing von AMD ist, um den Begriff Compute Core verständlich zu erklären. Letztendlich bezieht sich dieser Begriff auf eine Technik, die momentan nur wenig Unterstützung findet. Die Grafik-Architektur oder reine Prozessor-Architektur lassen sich weiterhin direkt miteinander vergleichen.
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Integrierte Grafikeinheit nun mit Radeon R7/R9 Technik (GCN 1.1)
AMD hat es eigentlich seit dem Athlon 64 kaum noch geschafft, den Konkurrenten Intel in Sachen CPU-Performance hinter sich zu lassen. Zu stark sind die Core i7/i5/i3 Prozessoren, so dass AMD mit seinen APUs vor allem über die Leistung der integrierten Grafikeinheit punkten und den Käufer für sich stimmen möchte. Diese Taktik ist bis heute nicht aufgegangen und der Grund liegt auf der Hand: wer ein ambitionierter 3D-Spieler ist, kauft sich eine separate (dedizierte) Grafikkarte, da die APUs von AMD bzw. vergleichbare Intel Modelle schlichtweg zu langsam sind. Die meisten anderen Anwender interessiert die Leistung der integrierten Grafikkarte nicht.
| Mikroarchitektur | Steamroller | Piledriver | Piledriver | K10 |
| Codename | Kaveri | Richland | Trinity | Llano |
| Grafikeinheit | Radeon R7 | Radeon HD 86xxD | Radeon HD 76xxD | Radeon HD 65xx |
| Technik | GCN | VLIW-4 | VLIW-4 | VLIW-5 |
Wie wichtig AMD die Grafikleistung ist, zeigt die Aufteilung des Prozessors bzw. der APU: 47% der gesamten Fläche nimmt die integrierte Grafik ein. Vereinfacht ausgedrückt: die halbe APU ist für 3D-Berechnungen zuständig. Interessant ist auch die Aussage von AMD, dass 35% aller 3D-Spieler über Steam eine langsamere Grafikkarte als die eines A10-7850K (Kaveri) in ihrem System verbaut haben. Diese Aussage macht nachdenklich. Einerseits stellt man sich die Frage, warum so viele Computer-Spieler eine vergleichsweise langsame Grafikkarte verbaut haben. Andererseits zeigt es, dass es AMD langsam schafft, integrierte Grafikkarten als ernsthafte Konkurrenz zu klassischen Steckplatz-Grafikkarten zu positionieren.
AMD strebt mit seinen Prozessoren an, spielbare Framerate bei einer typischen Auflösung in aktuellen Spielen zu erreichen. Konkret bedeutet dies eine Full-HD-Auflösung (1080p) bei mindestens 30 Frames pro Sekunde (FPS). Immerhin: unter den genannten Titeln finden sich Battlefield 4 oder Fifa 14 wieder. Für eine integrierte Grafikkarte ein gutes Ergebnis und man kann davon ausgehen, dass eine aktuelle APU aus dem Hause AMD für aktuelle 3D-Spiele bei mittlerer Qualität brauchbar ist.
Bestätigt wird diese Aussage durch die technischen Daten des GPU-Teils: hier verbaut AMD insgesamt 512 Streamprozessoren, die zu insgesamt 8 Compute Units zusammengefasst werden. AMD unterscheidet nun zwischen der alten Bezeichnung aus dem Jahr 2008 stammend und der neuen Bezeichnung Compute Units, zu denen wir später noch kommen.
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Grafik-API Mantle - höhere Spieleleistung durch Low-Level Hardware-Zugriff
Ein sehr spezieller Teil, welcher vor allem Programmierer unter uns interessieren wird. Aus diesem Grund soll dieser Teil nur sehr kurz angesprochen werden. Zu Mantle sei gesagt, dass es eine AMD-spezifische Grafik-API ist, welche einige Schwachstellen auf Seiten von DirectX beheben soll. Laut AMD kann die Leistung in Battlefield 4 um bis zu 45% im Vergleich zu DirectX gesteigert werden. Als eines der ersten Spiele-Title, der Mantle unterstützt, ist der "Schleich-Ego-Shooter" Thief zu finden. Laut AMD kann die Leistung zwischen 5 und 50 Prozent im Vergleich zu DirectX gesteigert werden. Fraglich bei einer zusätzlichen Grafik-API ist, wie stark diese Verbreitung findet. Selbst OpenGL fristet seit Jahren ein Schattendasein.
TrueAudio
Mit Einführung der ersten Radeon R7- und Radeon R9-Grafikkarten führte AMD das Feature True Audio ein, welches hardwareseitig für die Tonberechnung zuständig ist. Dadurch wird die CPU vollständig für die Tonberechnung vollständig entlastet und kann sich anderen Aufgaben widmen. Auch die Kaveri-APUs nutzen nun dieses Feature.
TrueAudio ermöglicht 3D-Klang mit 2D-Stereo-Geräten.
Die Berechnung erfolgt vollständig durch die Grafikkarte, ohne den Prozessor zu belasten.
Wirklich neu ist dieser Punkt nicht und daher lässt sich der Marketing-Name TrueAudio vor allem durch die neuen Fähigkeiten erklären. Bereits in der Vergangenheit sind die Techniken wie Video Codec Engine (VCE) und Unified Video Decoder (UVD) bekannt, die nun verbessert wurden. UVD wurde mit der Radeon HD 2000 eingeführt und kann bestimmte Audio/VideoBerechnungen (bsp. HDFormate H.264 und VC1) vollständig übernehmen. Zentrales Ziel von TrueAudio ist es, dreidimensionalen Klang unter Verwendung von Stereo-Ausgabegeräten zu ermöglichen. Vereinfacht gesagt: 3D-Klang wird ohne zusätzliches Audio-Equipment möglich. So lässt sich beispielsweise nicht nur die Position eines Tons (vorne, hinten), sondern auch dessen Richtung lokalisieren. Hierfür entschied sich AMD für den Schleich-Shooter Thief als Parade-Beispiel, da sich AMDs TrueAudio hervorragen eignet. Stimmen in großen Hallen (Stichwort Echo) wirken genauso realistisch wie das Abprallen und Zischen von Pfeilen. Auch die bessere Wahrnehmung, aus welcher Richtung die Gegner kommen, macht das Spiel Thief noch etwas spannender.
- Ziel: Simulation von Mehrkanalton sowohl auf Boxen als auch Lautsprecher
- 3D-Klang auf Stereo (2D) Geräten
- Sehr realistische Wiedergabe von Umgebungsgeräuschen (Stimmen, Hall bzw. Echo, Richtungen)
- Vollständig programmierbar
- Prozessor wird durch die Grafikkarte vollständig entlastet
Leistung & Benchmarks
Soweit so gut zu den Lobeshymnen über AMD. Innovative Technik liest sich immer gut, aber was hilft es dem Kunden, wenn die Technik noch nicht unterstützt wird. Und hier liegt das Dilemma seitens AMD: die APUs ermöglichen GPU-Computing, doch es wird (noch) nicht von einer ausreichenden Anzahl von Programmen unterstützt. Und hier ist das Henne-Ei-Problem: die Software-Entwickler werden in der Regel erst dann tätig, wenn es entsprechende Prozessoren auf dem Markt gibt. Diese verkaufen sich aber nur, wenn es die passende Software dazu gibt.
Stand heute ist, dass AMD weiterhin stark hinter Intels Core Prozessoren liegt. Ein paar Beispiele:
- Winrar: Komprimieren eines Ordners mit Dateien (Größe 1 GB)
AMD A10-7850K = 86 Sekunden
Intel Core i7 3770K = 37 Sekunden
Intel Core i3 3225 = 90 Sekunden - 7-Zip MIPS Benchmark (mehr ist besser)
AMD A10-7850K = 10.985 MIPS
Intel Core i7 3770K = 22.468 MIPS
Intel Core i3 3225 = 8.831 MIPS - Adobe Photoshop CS6 7 Filters on 15 MB TIFF-Datei
AMD A8-7600K = 02:15 Minuten
Intel Core i5 4430 = 01:20 Minuten
Wenn man sich die diversen Benchmark-Ergebnisse im Netz anschaut, sieht man sehr deutlich, dass AMDs Flaggschiffe gegen die Top-Produkte aus dem Hause Intel stark abfallen. AMD ist nur noch Mittelmaß und für günstige Gamer- und Multimedia-PCs interessant.
Übersicht:
- Laut AMD bis zu 20% mehr Leistung des CPU-Parts im Vergleich zum Piledriver.
- Im Endeffekt liegt man irgendwo im Bereich der alten Thuban-Modelle.
Technische Übersicht
- Hersteller: AMD
- Modell: A10/A8/A6/A4
- Erschienen: 1. Quartal 2014
- CPU-Kern: Kaveri
- Anzahl Kerne: 4
- Mikroarchitektur: Steamroller
- Sockel: FM2+
- Technologie: 0,028µm (28nm)
- L1-Cache: 4x 96 KB
- L2-Cache: 2x 2048 KB (4096 KB)
- L3-Cache: ---
- Befehlserweiterung: MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSE4, EM64T
- Transistoren: 2,41 Milliarden
- DIE-Größe: 245 mm2
- GPU-Computing
- heterogene System-Architektur (HSA): Symbiose von GPU + CPU
- heterogeneous unified memory architecture (hUMA) : GPU und CPU können auf gemeinsamen Speicher zugreifen
- Compute Core: Zusammenfassung von CPU-Kernen und Grafik-Shadereinheiten zu Compute Cores, um das GPU-Computing hervorzuheben.
AMD Kaverie - Fazit, Pro & Contra
AMD besetzt den Mittelklasse-Markt und überzeugt mit einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis. Das mag aus pragmatischer Sichtweise nachvollziehbar sein, denn die meisten PC-Anwender kaufen nur selten Prozessoren mit einem Preis über 200 Euro. Die AMD A10- bzw. A8-Prozessoren der Kaveri-Serie sind also auch für den typischen 3D-Spieler interessant.
Aus Prestige-Gründen versetzt sich AMD wieder einmal ins Abseits. Wenn eine neu angekündigte High-End-APU teilweise nur halb so schnell wie Intels Flaggschiffe ist, ist das mehr als enttäuschend. Wo sind die Zeiten geblieben, in denen sich AMD und Intel ein Kopf-an-Kopf-Rennen lieferten? Daher fällt das Fazit eindeutig aus: wer Spitzenleistung möchte, greift lieber bei Intel zu.
Pro | Contra |
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