為什麼CPU頻率和十年前比沒高多少卻提高了速度,速度是什麼決定的?

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架構、核心數量、指令集、緩存大小、頻率都會影響CPU速度,在其他相近前提下頻率最直接決定速度,奔騰時代都是單核提升頻率是最有效提升速度的。

但受工藝限制頻率提升到一定程度發熱扛不住,廠商開始從架構、核心、指令集方向研究,幾年前Intel主要是通過核心和頻率控制檔次,i3雙核高頻,i5四核低頻,i7四核高頻,近2年14納米擠牙膏擠得爐火純青,可以堆更多核心了就主要通過核心劃分檔次,i3四核,i5六核,i7八核,相同檔次就用頻率或緩存大小再細分。

另外上代下代酷睿同頻率性能提升百分10%左右就算架構變化帶來的提升,同時還會增加指令集提升某方面運算性能,超線程技術也會提升一定比例性能


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如果只是從CPU頻率來看,10多年前的奔騰4就已經達到了接近4Ghz的水平,包括AMD當時的FX也差不多,但是目前來看,酷睿i7和銳龍7系列的高端CPU也不過剛剛普遍突破4Ghz,很多型號的默認頻率甚至還只有不到3Ghz,但是這些CPU的性能已經不是當年這些接近4Ghz的CPU能比擬的了。

這裡主要是因為半導體工藝的發展,從當年的幾十nm工藝進化到了如今的7nm工藝,晶體管密度變得越來越大,所以同樣尺寸下的CPU可以容納更多的核心數量,當年的奔騰4只是單核心,而如今的CPU都普遍達到了6核心和8核心,10核心以上的也屢見不鮮,這樣多核處理能力就遠遠超過了當年的CPU。

除了工藝技術和核心數量的提升,新一代CPU在核心架構層面也都發生了翻天覆地的變化,即使是同樣頻率下,每顆核心的效率也遠遠甩開了10年前的CPU,二三級緩存的增加,再加上新的指令集的使用,從而使十年前的CPU和如今的CPU性能完全不能相比。


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頻率並不是衡量CPU性能的唯一標準。Intel、AMD在發佈新的CPU的時候都會公佈基礎頻率,其實這個頻率多少GHz是指CPU內部的數字時鐘信號頻率(時鐘頻率)。它並不能代表CPU的真實性能水平,4GHz的CPU不一定就比3GHz的強。

高頻低能的例子

案例一:

早年,AMD和Intel還在1GHz左右激烈角逐時,Intel受到基於K7架構的速龍威脅,匆忙推出1.13GHz奔騰3處理器。奔騰3因為很多問題而被迫召回。而當時的人們認為主頻的高低就代表了CPU的性能的高低。於是接連失利的Intel就憋出了一個大招,推出了NetBurst架構的奔騰4,出場就是1.4~1.5GHz。

不過很快就有人發現了問題,通過跑分測算:奔騰4的1.5G大概只有奔騰3的1.2~1.3GHz水平。頻率之所以這麼高,奧秘在於架構上,奔騰4基於NetBust架構採用了20級流水線技術,在這之前是10級。長流水線的好處是把頻率做高,但是效率低。

案例二:

像極了奔騰4的超長流水線設計,AMD的推土機也成為了奔騰4一樣的高頻低能,單核的性能相比自家的上一代K10架構有明顯的倒退。

“性能不夠、超頻來湊”,把這點做到極致的是FX-9590,基礎頻率4.7GHz、最大動態加速到5.00GHz,TDP達到了220W。以至於90%的風冷散熱器根本壓不住,所以FX-9590搭配了高端水冷散熱器捆綁銷售。

頻率的概念

為了確保CPU內部所有硬件單元能夠協同工作,就需要一套時鐘信號與系統同步進行操作。時鐘信號是由一系列的脈衝信號構成,並且總是按一定電壓幅度、時間間隔連續發出方波信號,週期性的在“0”和“1”之間往復的變化。

單位時間1s內產生的重複性脈衝的個數就是頻率(單位Hz),時鐘頻率與週期互為倒數(f=1/T)。1GHz就意味著1s會產生10億個時鐘脈衝信號,可以想象到CPU內部結構是多麼精妙,可以處理如此短的信號,整套系統又可以協同有序地運行。

CPU的主頻為什麼會變?

比如Turbo Boost技術讓CPU每一個核心都有自己的鎖相環電路,這樣每個核心的電壓和頻率都可以獨立控制。功耗控制單元會以1ms(每秒1000次)的速度實時監測核心的溫度、電流及功耗等參數,所以CPU可以根據負載需要調整CPU的頻率。同時由於參與到運算的核心數越多,控制起來就更為複雜,所以一般核心數目越多,能達到最高頻率越低。

外頻

在計算機主板上,以CPU為主,內存和各種外圍設備為輔,有許多設備要共同在一起工作。這些設備之間的聯絡,數據的交換,都必須正確無誤,分秒不差。因此,它們必須要有一個固定的時鐘來做時間上的校正,協調或者參考。這個時鐘由主板上的時鐘發生器產生,就是所謂的外頻。

倍頻

CPU雖然跑得更換了,但是外部的主板芯片組、內存、外部接口還是處於舊有標準。這些設備的運行頻率早就固定下來了,並且遠低於CPU工作頻率,就無法很好與CPU交流。

CPU要獲得更快運算速度,就需要獲得一個超高速的頻率來支撐更快運算速度。而CPU通常就是在內部設計有一個鎖相環頻率發生器,對於輸入的時鐘信號進行分頻處理,按照一定比例提高輸入的外頻頻率,從而得到CPU的實際工作頻率,這個比例就稱之為倍頻係數(簡稱倍頻)。

超頻

根據CPU主頻計算公式:主頻=外頻 X 倍頻,超頻無非就是要超外頻、倍頻。

一般都是選擇超倍頻,因為超倍頻提升幅度遠比外頻要高,而且來得容易。目前很多主板都自帶一鍵超頻功能,主板廠商都BIOS中幫你調整好超頻參數,只需要一鍵點擊皆可以超倍頻。

實際上,CPU倍頻高到極限了,CPU與系統其他設備傳輸速度還是一樣。CPU從系統中得到的數據的極限速度不能滿足CPU運算的速度。因此有時候為了滿足外部傳輸需求,我們要適當超外頻。超頻產生的高溫會導致“電子遷移”現象, 而“電子遷移”現象會損壞CPU內部精密設計的晶體管,所以一定要必須做好CPU的散熱工作,液氮超頻也是出於這樣的考慮。

影響到頻率高度的因素非常之多,如:CPU的架構、流水線設計、內部寄存器設計、支持的指令、功耗、溫度等等。所以說CPU出廠頻率是綜合多種考慮,以最小值作為CPU的最高頻率。

為什麼現在的CPU頻率還停留在4GHz左右呢?

我們先要了解晶體管功耗是如何計算的:

  • 靜態功耗等於電壓乘以電流,W=V*I。

  • 晶體管在“1”和“0”之間相互轉換時會根據轉換頻率的高低產生動態功耗,W=V2*F。顯然,頻率越高,功耗就越大。

為什麼芯片產商沒有放棄做頻率更高的CPU呢?

因為半導體工藝一直在進步,10nm、7nm、5nm、3nm。晶體管面積的縮小使得其所消耗的電壓以及電流會以差不多相同的比例縮小。工藝的提升,可以讓晶體管做的更小,導通電壓更低,顯然就彌補了頻率提升帶來功耗增加問題。但是工藝不能無休止境地提升,7nm以後路將會十分艱辛。

晶體管尺寸縮小以後,靜態功耗不減反增,帶來了很大的熱能轉換,晶體管之間的積熱就會十分嚴重。CPU散熱問題成了待解決的問題,如果散熱做不好,CPU壽命大大下降。


目前的CPU普遍存在的動態頻率技術,過熱會讓CPU處於最低工作頻率,高頻這時只是個裝飾和笑話。單純提高CPU時鐘頻率,會因為隨之而來的散熱問題而變得不再現實,畢竟我們不會無時無刻地使用液氮為CPU降溫,所以Intel、AMD都很識趣地停止了高頻芯片的研發,轉而向低頻多核的架構開始研究。


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