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为什么现在cpu不再提高主频而是走多核?

如果你对2004年英特尔总裁贝瑞特当年当着6500人惊天一跪还记忆犹新的话,或许能更能理解这个问题,当年老贝这一跪是对“惟主频论”失误的真心忏悔。

当时NetBurst架构的Prescott(Pentium 4的核心),虽然已经是用了最先进的90nm工艺,但是3GHz主频的CPU功耗就超过百瓦,如果频率要超过4GHz,功耗将是何其了得。

所以,在这儿就可以回答题主,正是因为功耗(散热)制约了主频的提升

登纳德缩放定律的终结

相信你也听过摩尔定律,它告诉我们,芯片中晶体管的尺寸正在不断减小,因此芯片的晶体管数量可以不断增加。虽然近些年,摩尔定律一直在修改,但它似乎尚未完全停止。

事实上,除了摩尔定律,还有一个很重要的定律,称登纳德缩放定律(Dennard Scaling),大体说,随着晶体管尺寸的减小,它的功耗也按面积大致按比例下降。

摩尔定律和登纳德缩放定律这两个好基友放在一起,就是要告诉我们,可以不断缩小晶体管尺寸,并且在CPU中容纳更多晶体管,而功耗基本不变。

但是,到了Pentium 4,基本上宣告了登纳德缩放定律的终结,因为Pentium 4的性能只有486的6倍,但功耗却是后者的23倍(6^1.75)!

好吧,看看上面的图,随着晶体管的面积密度上升(蓝色线)16倍,功耗仅下降约4倍(紫色线),功耗降低已经不再与芯片面积密度上升成正比,Dennard Scaling is dead.

也就是说,继续以提升频率来提升性能的方法已经行不通了!

多核也能刷性能

到底CPU的性能是怎么定义的?英特尔是这么说的:

CPU性能=IPC * f

其中f为频率,提升f就能提升CPU性能,不过这条路已经不通了。

但是,我们还可以提升IPC呀,IPC(instruction per clock)是每时钟周期内所执行的指令数,所以才有了多核,2个核心,IPC就是原来的2倍,4个核心,IPC就翻了4倍,CPU的性能也就得到提升。所以我们消费级的CPU才从2核变成了4核,再到8核,现在已经升到了16核。

反正呢,现在摩尔定律还能苟延残喘,但Dennard Scaling已是过去式,虽然工艺越来越先进,CPU里可以装进更多的晶体管,但由于功耗墙的原因,已经没办法提高单个内核的频率,解决方法是在芯片上保留更多内核以提高CPU性能。当然并非所有程序都可以支持多核,因此这种潜在的性能增益并不总是能够得以呈现,但肯定是越来越好了。

发动机的转速再高,对速度的提升,也比不上气缸多来的直接! V12 发动机不会搞9000转,8000进红线。

一个喇叭尺寸再大,音量再高,看电影的时候,也不可能比7.2声道效果好。

目前限制CPU的不是技术工艺,而是散热,Intel的CPU可以轻松6-7Ghz,前提是你得液氮散热,考虑到目前大多数风冷散热现实,限制主频2-4之间,也是对市场妥协。如果将来某一天,普及微型液氮散热器,说不定多核就没那么重要了

欢迎你的阅读

首先,要说的是现在手机也不是不提高主频了,只是提高的速度比以前更慢了。

  1. 频率太高的话发热也会更严重,现在很多手机已经很会发热了,玩玩就烫的不行。并且提高主频也要更高的技术,研发的费用也会高很多,最主要怕压不住很大的发热。
  2. 对于cpu性能的提升,主频带来的效果也不是很明显,由于cpu发现技术,主频的上升空间有明显的局限。所以cpu核心数在现阶段比提高主频效果来的更明显。


3.cpu核心的提升,会使得程序以最快的速度运行,使得运算速度比以前的产品高出不少。而且多核心对运行多任务有很大好处,毕竟人多力量大,当然不是像联发科一核有难,8核围观。


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不要光用频率衡量CPU的单核性能。举个例子,里程碑1代的555Mhz主频的德仪CPU,可以把HTC G7上面那颗1Ghz CPU从上到下秒一个遍。CPU单核心性能,可以用车辆的轮子计算。频率只是转速,代表转多块。影响的另外一个因素是单核能效,对应的是轮子的直径。轮子的直径大,并不需要转多快也能维持高度。但是直径小的,必须提高转速才能达到一样的速度,带来的结果就是功耗和发热的提高。

不要看核心频率来定量CPU性能,要看核心架构在看频率,一般同一架构频率越高性能越好,像3.2gHz的八核推土机性能还不如四核八线程的酷睿i5性能好。四核四线程奔腾N4200还没有双核四线程M5性能好。目前CPU领域性能最好的是酷睿了,像主机CPU美洲豹架构只能和打桩机差不多,和酷睿i差远了,有人推测八核美洲豹性能居然只有比双核酷睿i5好一点。

因为Intel在2004年的时候曾经在提高CPU主频的事情上吃过大亏,于是转战多核心的路线。而多年以后的今天CPU已经是多核心 高频率的组合了。



Intel在奔腾Pentium 4的时代开始研发超长流水线设计的CPU,为了使超长流水线能够发挥它的设计功效,Intel开始在提高CPU主频上下功夫,一度达到3.4GHz。


但那是十几年前的2004年,CPU的工艺只有90nm,超高主频带来的后果就是巨大的发热量和耗电量,3.4GHz CPU的功率可以超过100瓦,而当时Intel正在研发的4GHz CPU的功耗更是无法想象了。


再加上当年Intel 820 Rambus的风波,直接导致了Pentium 4新一代芯片取消上市,于是就有了非常著名的Intel CEO“下跪道歉”事件



在这之后,Intel痛定思痛,决定从「高频率」转向「多核心」,开始了双核、4核、6核研发,通过多核心的“人海战术”来提高CPU的工作效率。


十几年过去了,CPU的制造工艺也在不停进步,慢慢的主频又开始逐渐提升。比如第八代14nm的的Core i7处理器主频就达到了3.7GHz(睿频4.7GHz),同时也采用了6核心的架构。



所以CPU的主频是和制造工艺密切相关的,制造工艺越高,CPU的频率也能够进一步的提高,否则只能靠堆核心的办法提高运算能力了。

一个CPU中含有数十亿个晶体管,比如英特尔的主流CPU拥有20亿个晶体管,在某些高端产品中晶体管数量高达60亿个。晶体管在做模拟信号的相互转换时会根据CPU主频的高低产生动态功耗,因而CPU的主频越高,发热量就越大。

当然芯片的制造工艺一直是在不断发展,根据摩尔定律,集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔一年半会增加一倍,性能也将提升一倍。

2000年的奔腾4处理器,制作工艺是180nm;

2010年的酷睿i7-980X,制作工艺32nm;

2013年的酷睿i7 4960X,制作工艺是22nm;

现如今酷睿i7 9700k的制造工艺更是达到了10nm级别。晶体管做得越小,导通电压更低,就可以补偿了CPU主频升高带来功耗的增加。

但是,CPU的制造工艺是不会无休止地提升,越往后技术难度越大,因而制造工艺是限制目前CPU主频提升的最大障碍。 而且晶体管尺寸是减小了,但数量的增加会使晶体管之间的积热问题凸显出来,因此总的发热量并不会有太多减少。

况且主频仅仅是CPU性能表现的一个方面,而不代表CPU的整体性能。CPU的性能参数还有二级缓存、三级缓存、指令集、前端总线等方面。一味地升高CPU的主频,会使CPU的发热量成倍增加,最后为了给CPU降温就要在散热装置上花费极大的功夫,这样做是得不偿失的。

所以为了增加CPU的速度,半导体的工程师们就给CPU设计多个核心,能够达到相同的效果。就好比有100道算术题要计算,单核CPU就是让一位速算高手来完成,而多核CPU就是请了四位速算能力一般的人,但最后还是四个人完成100道题所用的时间短,毕竟人多力量大嘛。

其实最主要的是半导体CPU再提升主频非常难,投资非常大,但获得的收益很低,很亏。所以想在半导体CPU没有被替代的时候通过堆核的方法再坑你点钱,想想,8核十六线程,用的到么。当然,里量子计算机普及还需要很长时间,即使普及也不稳定。目前也就i7 七代八代(AMD很少关注,所以不太了解,就不妄加评论)适合攒机,主频基本都在4.0GHz以上(睿频),普通不超频一体式水冷压的住。功耗也比较低,4核8线程也适合普通玩家使用,边打游戏边听歌,爽的。买牙膏厂的u得先看看红色阵营有什么动静。说实话牙膏厂的坑钱套路真的很烦。

现在cpu并没有在核心数上突飞猛进,多核已经是十年前的技术了。现在普遍仍然停留在8核,服务器16核,多的32核,无法进一步提高。为啥,因为多核在访问缓存和内存上需要一定的同步机制。简单讲,核越多,协调它们越困难,访问缓存和内存越慢,制约了核心数的进一步提高。计算机体系结构是一个整体,cpu架构也是一个整体,不是单单某一方面决定的。比如就现在的计算机结构而言,制约其速度的根本不是cpu主频,而是内存访问速度,一级缓存,二级缓存,三级缓存存在的根本原因就是内存访问速度太慢。现在cpu的发展更多的是属于设计,优化范畴,而非技术突破,相对已经进入瓶颈期,单看主频和核数已经意义不大。

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