10分鐘看懂CPU構造原理

從宏觀人類的意義上來説,CPU 是目前人類科技含量最高,工藝最複雜,結構最精細的產物結晶。

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從微觀每個人的角度上來説,CPU 好像也就不過是個商品,還是大家都能買得起的那種。

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但,並不是所有人都懂 CPU 構成,甚至,連 CPU 怎麼選購都不知道,那,要不要來了解下 CPU 的構成 以及 CPU 如何選購?

正文

眾所周知,計算機只能識別 1 和 0,為什麼呢?根本原因在於 CPU 或者説所有的電子元件,只能有兩種狀態:變(1)、不變(0)/ 開(1)、關(0) 。

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但是知道這個和 CPU 有什麼關係呢,CPU 的根本任務就是執行指令預算,也就是1 0 1010101010101000101010101010101010010101010101010101001這個過程到底是怎樣實現的呢。這就要從 CPU 的內部結構開始説起了:

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cpu 內部主要是由一大堆的運算器、控制器、寄存器組成。

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運算器負責算術運算( - * / 基本運算和附加運算)和邏輯運算(包括 移位、邏輯測試或比較兩個值等)。控制器則高級一點,負責應對所有的信息情況,調度運算器把計算做好。寄存器就稍微複雜一點,既要對接控制器的命令,傳達命令給運算器;還要幫運算器記錄處理完或者將要處理的數據。

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在這三種元件外,還有緩存(cache),總線,核心顯卡等

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如果這麼説你理解不了,沒有關係,我們用一個例子來説明一下:假設 CPU 是一個工廠,一個核心就是工廠的一個車間

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那麼運算器就是工廠裏的普工,只負責生產(運算)

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而寄存器呢,就是一個工具人,有時需要傳遞信息(數據),有時需要搬運物資(數據)。

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控制器則是車間主管,管理調劑所有普工和工具人,壓榨他們的勞動價值。

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直到有一天,工廠發現一個車間(核心)效率不夠,就只能增加車間(核心)來提高整個工廠效率。

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但是,漸漸的,又有新問題出現,工具人雖然效率高,但是數量不多,而隨着越來越多的原材料(數據)湧入,工具人搬不過來。這時工廠就整了一個小板車(cache),專門用來運輸、寄存工具人搬不過來的數據,而且各工廠可以共享其中一部分(intel 的 L3 cache)。

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隨着車間數量(核心數目)增加到八,工廠發現有些時候出貨量挺高的(全車間都開工),但有些時候只有一兩個個車間開工,其它車間都在圍觀(調度問題)。

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而且整個工廠一起開工,用電量和發熱量也急劇上升,但是各車間的效率(頻率)就是上不去,此外,還要擔心電力供給、散熱、物資(數據)運輸等各類問題。

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終於,在投入了大研發後,工廠的廠房佈局設計(架構)有了大改進,

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各部門之間的交通更便利了;並且,工廠也重新招聘短小精悍的工人(提升製程工藝),將以前那種牛高馬大,光吃不幹的大塊頭全部淘汰了。至此,同樣大的車間,能融入更多的工人幹活了,而且短小精悍的工人,吃的飯還少(功耗低)。

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但,工廠的難題還有很多,有些是內部問題,有些是外部問題,在這種內憂外患的情景下,intel 不由得又擠了一管牙膏壓壓驚。

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怎麼樣,這個例子能讓你們理解 CPU 裏運作的過程了嘛,對應的一些參數瞭解了嘛?沒有的話,我就再補充説明一些很重要的參數

參數詳解

核心線程

核心是 CPU 處理數據的一個大單位,理論上來説,核心數越多,幹活的效率越高,或者説可以同時乾的事情越多,就像一個工廠,這個車間可以生產這個零部件,那個車間可以生產另外一個零部件。

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而線程則是提高核心的使用效率,比如在這個車間生產這個零部件的時候,有些工藝是需要等待的,而在這個等待的時候,工人們都閒着,那線程技術就會讓這個暫時閒置的核心幹其它的事,持續壓榨工人的剩餘勞動價值。

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因為CPU 的工作過程非常塊,在足夠長的時間段上,可以看作是CPU同時幹了兩件事,也就是把一顆單核的CPU 變成了雙核。

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但核心線程並不一定是越多越好的,因為 CPU 還有一個很重要的指標

頻率

CPU 的頻率簡單説是 CPU 運算時的工作頻率(CPU 內部的數字時鐘信號頻率),是單位時間1 S 內產生的脈衝信號個數。

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雖然頻率高的 CPU 不一定能比低的強,但頻率的高低的確關係到整個 CPU 的運算速度。

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、温度這些物理因素,所以説 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。

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那麼,CPU 的主頻又是什麼呢?主頻是指 CPU 內核工作的主時鐘頻率。

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主頻有一個公式:主頻 = 倍頻 * 外頻,為什麼會有這個公式呢?這就要從很久以前 CPU 大戰的時候説起,那時 CPU 的頻率和外頻是一樣的,但 CPU 廠商為了競爭(宣傳),就通過提升 CPU 的頻率來佔據市場。而與此同時,其它硬件的工作頻率也就是外頻,卻沒有提升,依舊沿用舊有的標準。

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這樣下來,整個系統就不能很好的同步交流了,於是在這個時候,Intel 就創造性的提出了倍頻的概念,讓 CPU 頻率運行在外頻的某個倍率上,這樣頻率較高的 CPU 就能和較低的外頻進行同步交流了。

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至於超頻,簡單提一句,根據上面 CPU 主頻的計算公式,超頻是通過提升 外頻或者倍頻 來提升CPU 主頻,讓 CPU 性能提升的一種手段。

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超頻有風險,收益太低,建議不要輕易操作。特別是現在 CPU 廠家要麼早已壓榨完CPU的性能(AMD),要麼賊奸的把超頻算計在內(intel),而超頻對於實際體驗來説,就是那幾幀或者那幾秒的事情,性價比真的太低了。

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架構和工藝

雖然頻率一定程度上反映了 CPU 的性能,但是單純追求高主頻會讓功耗急劇上升,從經濟上來説並不合算,現在的 CPU 廠商早就放棄了單純追求高主頻帶來的性能提升,轉而提高每瓦性能。而這個是通過什麼實現的呢?CPU 的 架構 和工藝

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架構是什麼意思?在説架構前,你需要知道一個概念:指令集,指令集是CPU 執行計算任務時的規範或者説語言。換句話説, CPU 在計算時是依照指令集的規範來實現的,而架構就是實現這個指令集的物理結構。

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打個比方,我們如果要計算 1 1,我們規定在算盤上最右邊的珠子一個對應一個1,那 1 1 就是撥動兩個最右邊的珠子,這就是指令集和架構,優化這兩個東西,就能使得 CPU 的效率提升。

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當然,裏面的過程太複雜(我也不懂),所以大家理解萬歲。 而工藝是指製造CPU或GPU 裏 晶體管門電路 的尺寸,單位為納米。

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製造工藝越低,CPU 裏所含的晶體管越多,CPU功能也就越豐富,同時功耗也會降低,頻率也能拉高。核心面積也將減少,這就意味着,同樣大的晶圓,能造出的 CPU 越多,價格就更低。製造工藝的提升當然也不全是好事,一方面,新工藝總會有未知的問題,而打磨舊工藝,有些時候説不定也能有提升...不行了,我攤牌了,intel 你™還要打磨你的14nm 多少年啊! 最後,再説説

TDP 熱設計功耗

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一般來説,TDP 是指對散熱方案設計的最低功耗設計,散熱器只要滿足 > TDP 就可以及時排出 CPU 發出的熱量,即能保證 CPU 正常工作。但後來隨着 intel 睿頻2.0 的應用,引入了PL1、PL2、PL3、PL4和Tau ,在這四個不同的階段,就會有不同的熱量,所以 一般選購散熱器時,都應考慮稍高於TDP 的散熱器。

PL1是CPU能夠長期工作的閾值,一般設定為TDP;PL2是CPU段時間能夠超TDP工作的閾值,Intel推薦PL2比PL1高25%;PL3/PL4一般廠家不設置,這裏略過;Tau是CPU能夠堅持在PL2的時間長度。

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分類推薦

那説了這麼多參數,和你我選購 CPU 有什麼關係呢。容我想想好像真沒太大關係,不過當你都能清楚 CPU 的構造、參數後,你對你選購的 CPU 就會更有底氣,也能一眼看出嚶嚶嚶今年是不是又擠了牙膏,農廠今年是不是繼續 YES。

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話説回選購,儘管上面有那麼多參數,就算能看懂後,依舊不能很好的衡量 CPU 的綜合性能,這時你就要知道,其實有兩個參數可以很直觀並且客觀的反映 CPU 的性能,第一個是 價格,一般在同品牌的前提下,越貴的自然就越好。

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第二個就是 跑分,性能越強的,跑分分數就越高,

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而再根據這些分數排序,就有 天梯圖 的出現,性能越強的 CPU ,天梯的位置也就越高。

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所以,買 CPU 看不懂原理參數,沒有大關係的,結合你的錢和 CPU 的分數,就能選出比較適合你的CPU (應該是對你而言 性價比最高的 CPU)

此外,其實 兩家 CPU 廠商早也給分好類,就等你入手,以主流的intel 酷睿系列和AMD 的鋭龍系列來説,它們的產品定位由低至高依次為:

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雖然 CPU 的定位是這樣,但是,電腦是看整體硬件性能的,所以需要合理搭配。

一點鳥語:同樣定位的前提下,AMD 的綜合性能會強上一籌,Intel 的遊戲性能略微勝出,但是 AMD 的價格卻又低了一點, AMD,YES!但是,如果你只是一個臭打遊戲的,那我還是比較建議你購買 intel 的U,配上老黃的顯卡,這可能還是目前最穩妥的打遊戲解決方案。

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總結

如果是選購 CPU,那直接點的就是看跑分(天梯圖)、軟件/遊戲的實測以及價格。但如果是想學 CPU 的構造之類的,説實話,我也只是略懂些皮毛,這篇文章可能幫不到你太多。最後,我還是想要再強調一次,電腦是整個系統,並不僅僅只是靠某個部件強就強的。

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