為什麼這麼多年了，intel和AMD的CPU頻率還是沒有超過5Ghz？

如果説CPU的性能可以通過哪些參數來比較，那大部分人都會提到CPU頻率，一般而言在架構工藝相同的情況下CPU頻率越高性能越強，在 2002年之前,CPU的時鐘頻率是不斷增加的。

1981年IBM電腦CPU頻率是4.77Mhz，1995年intel CPU頻率達到了100Mhz，是81年IBM電腦CPU頻率的20倍還多，2000年AMD CPU頻率率先突破了1Ghz，2003年intel CPU頻率達到了3.7Ghz。

可以看到在2003年之前，頻率提升是伴隨着工藝提升而進行的，可是2003年之後情況開始出現變化，之後的十幾年CPU的工藝從90納米逐步提升到10納米，而CPU頻率提升進展很小，頻率提升水平和半導體工藝提升水平相比，真的是慘不忍睹。

要知道在90納米的時候，CPU的主頻就已經可以達到3.7Ghz了，可是到了10納米的時代，大部分的CPU默認頻率還在4Ghz以下，搞了這麼多年桌面上全核心達到5Ghz的產品居然還是不見蹤影。

號稱主頻達到5Ghz的CPU

目前桌面平台上面宣稱CPU主頻達到5Ghz的產品也就只有AMD FX 9590，Intel Core i7-8086K，Core i9-9900K(F)，而且這些產品的並不是全部核心能夠同時達到5Ghz,只是單核可以睿頻到5Ghz。

AMD FX9590這款產品是32納米的產品，4核8線程，基準頻率4.7Ghz，其220W的TDP帶來了巨大發熱，加上那被i3秒的單核性能，歸類到AMD史上最失敗的處理器之一是沒有問題的。

Intel Core i7-8086K採用14納米工藝，6核12線程，基準頻率4Ghz，全核睿頻為4.7GHz，是Intel紀念8086處理器推出40週年的產品，當然Core i7-8086K其實就是官方超頻版的Core i7-8700K處理器。

Core i9-9900K採用14納米工藝，8核16線程，基準頻率3.6Ghz，全核睿頻為4.7GHz，這個也是為了應對AMD的壓力而把牙膏多踩了一腳的結果。

為什麼主頻提不上去？

限制CPU頻率的第一個主要物理限制條件是：主頻與信號在晶體管之間傳輸的延遲成反比，所以晶體管密度越大,時鐘頻率越高，而這個也是在2003年之前，半導體行業通過提升CPU工藝可以有效提升CPU頻率。

但是2003年之後, CPU頻率提升遇到了第二個技術瓶頸: 能量消耗。簡單來説，CPU的能耗和時鐘頻率的三次方成近似正比關係，CPU頻率在3Ghz之後, 繼續提高頻率會使CPU面臨發熱過大而燒燬的危險。

我們通過對FX8350和FX9590的主頻和功耗關係進行一個計算，來看看能量消耗與頻率提升的關係，實際上FX9590就是FX8350的官方超頻版本，FX8350默認頻率是4Ghz，FX9590默認頻率是4.7Ghz。

那麼FX9590的頻率是FX8350的1.175倍，那麼1.175的三次方是1.62，也就是説FX9590能耗比FX8350要高62%，而實際TDP對比FX9590比FX8350高76%（220除以125然後減去1），考慮到其他因素，CPU的能耗和時鐘頻率的三次方成近似正比關係是成立的。

那麼2003年後CPU主頻提升不上去的主要原因，並不是工藝進展不順利的問題，而是由於CPU能耗與頻率關係的問題導致，所以2003年CPU頻率就達到了3.7Ghz，而16年後的今天CPU頻率還在5Ghz以下，這麼多年來主頻並沒有本質的提高。

CPU性能提升的新辦法

根據CPU的能耗和時鐘頻率的三次方成近似正比關係來看，通過主頻提升來提升性能這條路已經變得很狹窄了，需要新的方法來提升CPU的性能了，那麼我們這些年採取了哪些方法呢？這裏我只説比較明顯的兩種辦法。

第一種辦法就是加快CPU的內存讀取速度，電腦內存架構,可以細分為寄存器，高速緩存，內存，硬盤。而緩存又可以分為一級緩存， 二級緩存，三級緩存，甚至四級緩存。其中現在的處理器的寄存器和高速緩存是集成在芯片裏面的，所以提升CPU的性能可以通過擴大寄存器和高速緩存的容量來提高性能。

但是高速緩存最早是以外置的方式出現在英特爾386處理器上，真正芯片上內置的緩存是在486處理器上，當時容量只有8KB, 九十年代提高到16KB，而後來又出現了二級，三級緩存，這些細節部分就不説了，而到了現在緩存可以達到幾十MB了。

第二種辦法就是並行計算，也就是我們最熟悉的通過增加CPU的核心和線程來提升性能，傳統上CPU都是一個核心的，後來英特爾公司在奔騰4上面引入了超線程技術，一個物理核心可以實現2個線程，後來AMD推出了Athlon 64 X2系列雙核處理器，是2個真正的物理核心。

而這兩年多核大戰一發不可收拾，到現在普遍都是4核心8線程的產品，桌面上中端產品6核心12線程，高端的8核心16線程，還有更高端的16核心32線程，乃至32核心64線程，至於服務器上面，那更是多核心多線程加多CPU技術。多核心多線程的技術明顯的提升了CPU的性能，所以這些年普通用户還產生CPU性能過剩的幻覺。

未來

目前在傳統的技術上還可以通過各種辦法來提升性能，但是總會有極限的那一天，傳統意義上的摩爾定律有失效的可能，那麼未來方案會是什麼? 是新材料的集成電路? 還是量子計算機?還是以DNA分子為基礎的新計算架構？

也許上面的方案都不是，但是隻要計算通訊技術在人類社會發展中繼續發揮越來越大的作用，那麼更多的資金將會去推動相關技術的研發，新的技術必然會出現，廣義上的摩爾定律還會走很遠。