10分鐘看懂CPU構造原理

2020-12-22 科技狐

從宏觀人類的意義上來說,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。

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

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 或者說所有的電子元件,只能有兩種狀態:變(1)、不變(0)/ 開(1)、關(0) 。

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 的內部結構開始說起了:

cpu 內部主要是由一大堆的運算器、控制器、寄存器組成。

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。

在這三種元件外,還有緩存(cache),總線,核心顯卡

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

那麼運算器 就是工廠裡的普工,只負責生產(運算)

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)。

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。

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。

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,而隨著越來越多的原材料(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)。

隨著車間數量(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)。

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。

終於,在投入了大研發後,工廠的廠房布局設計(架構)有了大改進,

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)。

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。

怎麼樣,這個例子能讓你們理解 CPU 裡運作的過程了嘛,對應的一些參數了解了嘛?沒有的話,我就再補充說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,理論上來說,核心數越多,幹活的效率越高,或者說可以同時幹的事情越多,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。

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,工人們都閒著,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。

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。

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 的頻率簡單說是 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。

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、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。

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 大戰的時候說起,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,其它硬體的工作頻率也就是外頻,卻沒有提升,依舊沿用舊有的標準。

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。

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。

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說,就是那幾幀或者那幾秒的事情,性價比真的太低了。

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,從經濟上來說並不合算,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

架構是什麼意思?在說架構前,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說語言。換句話說, 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。

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。

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

製造工藝越低,CPU 裡所含的電晶體越多,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,這就意味著,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,有些時候說不定也能有提升...不行了,我攤牌了,intel 你還要打磨你的14nm 多少年啊! 最後,再說說

TDP 熱設計功耗

一般來說,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。但後來隨著 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,這裡略過;Tau是CPU能夠堅持在PL2的時間長度。

分類推薦

那說了這麼多參數,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。

話說回選購,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。

第二個就是 跑分,性能越強的,跑分分數就越高,

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

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AMD 的銳龍系列來說,它們的產品定位由低至高依次為:

雖然 CPU 的定位是這樣,但是,電腦是看整體硬體性能的,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。

總結

如果是選購 CPU,那直接點的就是看跑分(天梯圖)、軟體/遊戲的實測以及價格。但如果是想學 CPU 的構造之類的,說實話,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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