【原】超能課堂(111)：講了這么多年的CPU頻率，到底是什么？

超能網 2020-10-28

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在日常裝機中，大家挑選CPU處理器的時候，無非是先看看這塊CPU有多少個物理核心，是否支持超線程技術，以intel為例就決定了你選擇i7、i5還是i3系列；再細分一些就需要考慮CPU的頻率高低問題，這個就直接決定選購的具體型號。那么我們平?？倳f這款intel Core i3-8350k默頻是4GHz，這個AMD銳龍3 1300X默頻為3.5GHz，那么這個CPU頻率真的就是CPU的運行速度了嗎？它是由什么來決定呢？

Intel、AMD在發(fā)布新CPU的時候總會公布其的基礎頻率，其實這個頻率多少多少GHz，其實指的是CPU內部的數字時鐘信號頻率，又稱為時鐘頻率，因此它并不能代表CPU的真實性能水平，4GHz的CPU不一定就比3GHz的強，至少我們不能一概而論。但是時鐘頻率的高低確實關系到一個CPU的運算速度，頻率越高意味著運算的速度越快？那么4GHz頻率是有多快呢？

頻率的概念

在CPU這個復雜的數字系統(tǒng)中，為了確保內部所有硬件單元能夠協(xié)同快速工作，CPU架構工程師們往往會設計一套時鐘信號與系統(tǒng)同步進行操作。時鐘信號是由一系列的脈沖信號構成，并且總是按一定電壓幅度、時間間隔連續(xù)發(fā)出的方波信號，它周期性地在0與1之間往復變化。如下圖所示。

在第一脈沖和第二個脈沖之間的時間間隔稱之為周期，它的單位是秒（s）。但單位時間1s內所產生的脈沖個數稱之為頻率，頻率的最基本計量單位就是赫茲Hz。

時鐘頻率（f）與周期（T）兩者互為倒數：f=1/T

這個公式表明的就是頻率表示時鐘在1秒鐘內重復的次數，而目前的CPU普遍已經處于GHz級，也就是說每秒鐘產生10億個脈沖信號。

CPU處理器主頻

以Intel Core i3-8350k為例，它的默頻是4GHz，意味著它內部時鐘頻率為4GHz，一秒鐘可以產生40億個脈沖信號，換句話說每一個脈沖信號僅僅用時0.25ns（時鐘周期）。這是多么令人震驚的時鐘，可以想象到CPU內部結構是多么精妙，可以處理如此之短的信號，整套系統(tǒng)協(xié)同有序地運行，所以才會說CPU是全人類智慧的結晶，極大地提升了我們的科技水平進步。

時鐘周期作為CPU操作的最小時間單位，內部的所有操作都是以這個時鐘周期作為基準。一般來說CPU都是以時鐘脈沖的上升沿作為執(zhí)行指令的基準，頻率越高，CPU執(zhí)行的指令數越多，工作速度越快。

那么CPU頻率是由什么決定的呢？其實這個是一個非常復雜的問題，因為決定這個頻率是一個系統(tǒng)學的東西，影響到頻率高度的因素非常之多，諸如CPU的架構、流水線設計、內部寄存器設計、支持的指令甚至是功耗、溫度這些物理因素，所以說CPU出廠頻率就是綜合多種考慮，以木桶效應下的最小值作為CPU的最高頻率。

那我們現在的CPU主頻為什么會變呢？

而擁有Turbo Boost技術的CPU每一個核心都有自己的PLL（Phase Locked Loop，鎖相環(huán)）電路，這樣每個核心的電壓和頻率都可以獨立控制，為此Intel專門在CPU內部設計了PCU（Power Control Unit，功耗控制）單元，PCU會以1ms（每秒1000次）的速度實時監(jiān)測這四個核心的溫度、電流及功耗等參數，因此又有Turbo Boost頻率可以根據負載需要調整CPU的頻率。同時由于參與到運算的核心數越多，控制起來就更為復雜，所以一般核心數目越多，能達到最高頻率越低。

外頻

CPU在誕生后不久，各大CPU巨頭為了追求高性能，開啟了頻率大戰(zhàn)（有沒有效果這個我們先不提），但是這樣一來，CPU雖然跑得更換了（主頻更高），但是外部的主板芯片組、內存、外部接口（PCIe、Sata）可還是處于舊有標準，而且這些設備的運行頻率早就固定下來了，并且遠低于CPU工作頻率。這樣一來CPU就無法很好與之交流，Intel就機智地提出了倍頻的概念（下面講述），并且提出了影響至今的一個CPU主頻計算公式：主頻=外頻 X 倍頻，外頻的提出可以讓主板外部的設備工作在較低的頻率下，并且還能正確地CPU進行交流。

但總是有很多網友將前端總線頻率和外頻混為一談，其實他們不太一樣。在以前有北橋的時代，前端總線是CPU總線接口單元和北橋芯片之間的數據交換通道，曾經在AMD雷鳥系列、Intel奔騰 4處理器以前，前端總線與外頻是一致的，但后來有了四倍數據傳輸率技術或者是八倍數據傳輸率技術，前端總線頻率就極大地提高了。舉個例子，如果一個處理器的頻率是2GHz，外頻為100MHz，使用四倍數據傳輸率技術時，前端總線頻率就變成400MHz；如果是八倍，那么就是800MHz。前端總線頻率越大, 代表著CPU與北橋芯片之間的數據傳輸能力越大, 更能充分發(fā)揮出CPU的功能。

目前處理器的默認外頻基本上都是100MHz

倍頻

目前的CPU設計的外頻都相當低，只有100MHz，CPU要獲得更快運算速度，我們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(huán)頻率發(fā)生器，對于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系數（簡稱倍頻）。

利用倍頻技術, 較為完美地解決了CPU和內存等數據中轉站的異步運行問題。為CPU后來向更高頻率方向發(fā)展打下了扎實的基礎。

超頻

超頻作為經久不衰的話題，一直都是PC DIY界中的常青樹，一般是指強迫設備運行在高于其默認頻率的主頻以獲得更高的性能，諸如CPU、顯卡、內存等都可以超頻, 其中以CPU為最為流行，可以在最大程度壓榨CPU的性能，提高產品的性價比。而Intel、AMD一直將CPU可超頻作為一大賣點宣傳，那么我們超頻超的是哪個頻率？

根據CPU主頻計算公式：主頻=外頻 X 倍頻，我們無非就是超外頻、倍頻。

其實在不同時代，超得的是不同的頻。在Pentium MMX時，Intel為了讓CPU穩(wěn)定工作，在主板BIOS中鎖定了倍頻，不能隨意更改倍頻，那時候的我們只能從提高外頻著手，一些舊式主板可通過設置主板上的跳線來變更計算機系統(tǒng)的外頻（還記得跳線怎么插嗎？），而在后期的主板BIOS中一般都會有SoftMenu技術，我們只需要在BIOS界面中動動手指頭，調整外頻頻率就可以順利提高CPU的主頻。

而現在大家為了創(chuàng)造更高的主頻，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。同樣只需要在主板BIOS上調整倍頻即可，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。

在相同的外頻下, 倍頻越高 CPU的主頻也越高。但實際上，CPU倍頻太高了，但是CPU與系統(tǒng)其他設備傳輸速度還是一樣，之間的數據交換有限，造成了高主頻的CPU就會出現明顯的“瓶頸”效應-----CPU 從系統(tǒng)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。

需要注意的是，超頻會導致CPU發(fā)熱量遠大于正常工作溫度，甚至是降低 CPU性能、壽命（縮缸）或造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定（藍屏）。降低 CPU 壽命是因為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，液氮超頻也是出于這樣的考慮。

但有時候CPU體質不佳（內部晶體管在制造的時候存在某些缺陷、瑕疵），導致超頻困難，需要對CPU核心施加更高的工作電壓，以我們拿到的地雷級intel Core i3-8350K為例，為了上5GHz頻率，電壓已經加到1.5V（默認1.34V），而之前的Core i7-7700K分分鐘上5GHz。

那為什么我們現在CPU頻率基本還停留在4GH平臺呢？

CPU處理器中有一條金科玉律，那就大名鼎鼎的摩爾定律，它闡述了晶體管數目與性能提升的關系，之于它究竟是還活著，還是像死了般活著還很難說。但是我們今天要講的是另一條不太出名的定律——登納德縮放比例（Dennard Scaling）。

1974年內存之父羅伯特登納德在其論文中表示，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，這個就是登納德縮放比例定律。很多人摸不著頭腦，這個和CPU頻率提升有半毛錢關系嗎？

確實密切相關。我們先了解晶體管功耗是如何計算的，靜態(tài)功耗的就是常規(guī)的電壓乘以電流，W=V x I。而晶體管在做 1和 0的相互轉換時會根據轉換頻率的高低產生動態(tài)功耗，W=V²x F。顯然，頻率越高，功耗就越大，但我們在此后的30年都沒有放棄做頻率更高的CPU呢？

答案是以為我們的半導體工藝一直在進步，目前甚至已經做到了10nm，7nm量產在即。根據登納德縮放比例，工藝的提升，可以讓晶體管們做的更小，導通電壓更低，顯然就彌補了頻率提升帶來功耗增加問題。但是我們的工藝并不是無休止境地提升，很快就會進入了一個長期的技術平臺期，7nm以后路將會十分艱辛。

而且晶體管尺寸縮小以后，靜態(tài)功耗不減反增，帶來了很大的熱能轉換，加之晶體管之間的積熱十分嚴重，讓CPU散熱問題成為亟待解決的問題。散熱做不好，CPU壽命大大下降，而且目前普遍存在的動態(tài)頻率技術，過熱會讓CPU處于最低工作頻率，高頻只是個裝飾、是個笑話。單純提高CPU時鐘頻率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(fā)，轉而向低頻多核的架構開始研究。