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原来,CPU核心数量比主频更重要

  CPU主频与核心数量到底谁更重要?这一直是许多人困惑的问题,今天就让我们来仔细探求一下究竟哪个属性更为重要。为了更直观的解答这个问题,我们还是先梳理一下与CPU性能有关的“那些事儿“。

  

探根溯源:CPU的主要参数

  CPU的主要参数有以下四项——

  • CPU的主频

  即CPU内核工作的时钟频率(CPU Clock Speed)。CPU主频的高低,是衡量CPU性能的一个非常重要的因素。

  通常来说CPU的主频越高,CPU的性能越好,CPU当然越快,所处理的数据就越多越快。主频的高低对CPU运算速度起着至关重要的作用。假设某个CPU在一个时钟周期内执行一条运算指令,那么当CPU运行在2GHz主频时,将比它运行在1GHz主频时速度快一倍,因为2GHz的时钟周期比1GHz的时钟周期占用时间减少了一半,也就是工作在2GHz主频的CPU执行一条运算指令所需时间比工作在1GHz主频时的时间缩短了一半,自然运算速度也就快了一倍。

  • 核心和线程数

  核心(Die)又称为内核,是CPU最重要的组成部分。CPU的核心是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的,CPU所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。核心数量越多,代表着CPU所能处理的数据和任务越多,不同CPU的单核心性能也是有高低的。

  一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流,一个进程中可以并发多个线程,每条线程并行执行不同的任务,在多核CPU中,使用多线程技术的好处是提高了程序的执行吞吐率。

  • CPU缓存

  CPU高速缓存(CPU Cache)是用于减少CPU访问内存所需平均时间的部件。在金字塔式的存储体系中它位于自顶向下的第二层,仅次于CPU寄存器。其容量远小于内存,但速度却可以接近CPU的频率。

  目前的CPU缓存有一级缓存,二级缓存,三级缓存。可以这么说,缓存的大小与多少,也能反映CPU的性能,缓存越大,CPU访问内存所需平均时间越短,速度越快。

  • CPU制作工艺

  CPU的“制作工艺”指的是在生产CPU过程中要对各种电路和电子元件进行加工,生产工艺越先进,精度越高,在同样的材料中就可以制造更多的电子元件,连接线也越细,提高了CPU的集成度,CPU的功耗也越小。

  目前的CPU制作工艺已经达到了22纳米级别,性能更高,功耗也更小。

  经过上述对CPU各种属性的了解后我们可以发现,单纯的使用主频高低来衡量CPU的性能是远远不够的,这种对比必须在其他条件都相同的前提下进行,比如核心与线程数量,核心工艺,核心缓存等等因素。这就是为什么我们常常会发现,将一个过去的高主频的落后CPU和现在先进的同等定位的低主频CPU相比较,性能显然是现在的CPU更好。

再探究竟:主频VS核数

  纵观企业级CPU的发展,似乎发现了这样一个问题:在其他条件相同的情况下,往往CPU核心数量越多,主频就会越低,这又是怎么回事呢?

  首先要说明“CPU核心越多,主频反而越低”这句话并不是正确的,核心越多主频并不会降低,也不需要降低。但我们确实会看到这种现象:在当年双核CPU刚出来的时候,单核CPU的频率已经能够达到3.XGhz了,双核CPU的频率却才2.XGhz,为什么不能直接跟单核CPU一样将频率提升到3.XGHz呢?这并不是做不到。只是由于CPU核心数的增加会带来一些稳定性和安全性的问题,才刻意将单个核心的频率降低。但随着多核心技术的成熟,多核心CPU的频率也在逐渐提高。这就是为什么一些双核CPU上市一段时间后新型号将主频提高了的原因。

  另外还可以跟大家透露一点,平时我们看到某款多核CPU型号的主频为X.XGHz,指的是单核心的主频为X.XGHz,但这并不意味着,相同主频的某款多核心CPU的性能就是单核心CPU的多倍。单核CPU和多核CPU或许能通过某种跑分软件来比较性能,但是光看主频来比较性能绝对是错误的方法。

  CPU之所以要向多核心发展,是为了解决单核CPU由于主频提高而让功耗、发热量呈指数性增长的问题。我们可以把CPU的性能简单看做是主频和IPC(IPC全称Instruction Per Clock 每周期执行指令数)的乘积,即每个时钟周期内可以执行的指令数,公式化也就是CPU性能 = 主频 × IPC。

  因此,提升CPU处理性能的途径,可以是提升主频,也可以提升IPC。在十几年前,CPU的性能提升主要依赖于对主频的提高,但主频的提升并非没有极限,因为: CPU当前功率=CPU默认功率×(当前频率/默认频率)×(当前电压/默认电压)² ,并且CPU功耗跟主频³ 的成正比。也就是说,一味的提高主频,会使CPU功耗呈指数性急剧增长,功耗过高带来的发热量问题,会严重影响使用和开发费用。于是CPU制造商开始在IPC上下功夫。

  要提升IPC,可以通过提高指令执行的并行度来实现,而提高指令执行的并行度又有两个途径:一是提高微架构的并行度,二是采用多核架构。在微架构并行度一致的情况下,采用多核架构,可以减缓由于主频提高而功耗急剧上升的坡度。

  由此可以看出,提升IPC带来的功耗远远没有提高主频带来的那么高那么快!也就是说,达到相同的性能,多核CPU的功耗会比单核CPU低,如果功耗相同,毫无疑问多核CPU的性能会比单核CPU要高,这有效解决了单靠一味提升主频来提升性能所带来的功耗过高问题。多核心技术必定是未来CPU发展的重要方向。

  总之,对比CPU性能的优劣,主频高低只是一个参考项,并不是决定因素,还需要配合CPU的其他参数来具体衡量。展望未来CPU技术的发展,由于主频上升空间的明显局限性,CPU性能的提升将更多的依赖于单颗CPU的核心数量,它对CPU性能的影响比重必然会越来越大。