为什么现在cpu不再提高主频而是走多核?
▎◕为什么现在cpu不再提高主频而是走多核?
如果你对2004年英特尔总裁贝瑞特当年当着6500人惊天一跪还记忆犹新的话,或许能更能理解这个问题,当年老贝这一跪是对“惟主频论”失误的真心忏悔。
当时NetBurst架构的Prescott(Pentium 4的核心),虽然已经是用了最先进的90nm工艺,但是3GHz主频的CPU功耗就超过百瓦,如果频率要超过4GHz,功耗将是何其了得。
所以,在这儿就可以回答题主,正是因为功耗(散热)制约了主频的提升。
登纳德缩放定律的终结
相信你也听过摩尔定律,它告诉我们,芯片中晶体管的尺寸正在不断减小,因此芯片的晶体管数量可以不断增加。虽然近些年,摩尔定律一直在修改,但它似乎尚未完全停止。
事实上,除了摩尔定律,还有一个很重要的定律,称登纳德缩放定律(Dennard Scaling),大体说,随着晶体管尺寸的减小,它的功耗也按面积大致按比例下降。
摩尔定律和登纳德缩放定律这两个好基友放在一起,就是要告诉我们,可以不断缩小晶体管尺寸,并且在CPU中容纳更多晶体管,而功耗基本不变。
但是,到了Pentium 4,基本上宣告了登纳德缩放定律的终结,因为Pentium 4的性能只有486的6倍,但功耗却是后者的23倍(6^1.75)!
好吧,看看上面的图,随着晶体管的面积密度上升(蓝色线)16倍,功耗仅下降约4倍(紫色线),功耗降低已经不再与芯片面积密度上升成正比,Dennard Scaling is dead.
也就是说,继续以提升频率来提升性能的方法已经行不通了!
多核也能刷性能
到底CPU的性能是怎么定义的?英特尔是这么说的:
CPU性能=IPC * f
其中f为频率,提升f就能提升CPU性能,不过这条路已经不通了。
但是,我们还可以提升IPC呀,IPC(instruction per clock)是每时钟周期内所执行的指令数,所以才有了多核,2个核心,IPC就是原来的2倍,4个核心,IPC就翻了4倍,CPU的性能也就得到提升。所以我们消费级的CPU才从2核变成了4核,再到8核,现在已经升到了16核。
反正呢,现在摩尔定律还能苟延残喘,但Dennard Scaling已是过去式,虽然工艺越来越先进,CPU里可以装进更多的晶体管,但由于功耗墙的原因,已经没办法提高单个内核的频率,解决方法是在芯片上保留更多内核以提高CPU性能。当然并非所有程序都可以支持多核,因此这种潜在的性能增益并不总是能够得以呈现,但肯定是越来越好了。
▎❇为什么现在cpu不再提高主频而是走多核?
理论上时钟速度越高,也就是主频越高,CPU运行的速度就越快。频率就是指单位时间内完成定期更改的数量,有的指令可以在一个时钟周期内完成,有的指令则需要多个时钟周期来完成,如果将时钟速度提高为3.2GHz,那么CPU每秒就会执行32亿个周期。
大家似乎很难理解主频提高会提高CPU的性能,举个例子:假如你举手需要2秒,让你1秒钟完成一次举手的动作,再让你1秒钟完成10次举手动作,再让你1秒钟完成100次举手动作,性能就是这样被提高的。在能尽可能短的时间内让CPU内的几百亿的晶体管快速的打开和关闭来提升CPU的运算能力。
提升CPU的主频确实能够提高CPU的性能,但很快被玩残了
早期在绝大多数人的认知里,都认为主频越高CPU的性能就一定越高,CPU的制造产商在过去也是一直这样引导普罗大众的。这就引发了英特尔和AMD持久的主频争霸战。
AMD的速龙系列率先突破1GHz,使得英特尔乱了阵脚,慌忙地推出奔腾3系列。仓促推出的奔腾3还有很多问题所以并没有帮英特尔扳回一局,所以很快就推出了基于NetBurst架构的奔腾4。速龙出场1.1GHz左右,而奔腾4则快速的拉到了1.4GHz左右,致使AMD的价格优势尽失。
奔腾4虽然赢得了市场,但有心人很快就发现了问题,奔腾4在很多方面的表现还不如奔腾3,典型的“高频低能”来描述。
这一切都归功于NetBurst架构的超长流水线来提高主频,20级流水线说句不好听的就是在磨洋工,磨洋工就磨洋工吧,但痛点就是CPU的热量大,所以后期的CPU对于风扇和散热器的要求越来越高,这才有了后来的用CPU煮饺子,烤肉的梗。
性能不够、超频来凑,AMD也同样犯过这样的错误,通过超长流水线来提高CPU的频率,比如4.7Ghz主频的是FX-9590,TDP达到了220W,风冷压不住,只能采用高端水冷散热。这才有了网上所说的i3默秒全的梗,追求单核主频的AMD最终坐实了千年老二的位置。不过还好AMD后期开始认识到问题的严重性,多核RYZEN系列开始有翻身的迹象。
单核通过提高主频来提升CPU的性能注定只是一个笑话
2004年64岁的英特尔CEO当着6500多技术人员的面跪下道歉宣布放弃4GHz主频的奔腾4,这说明英特尔也没能解决CPU主频提高散热量增大的问题。这是英特尔的转折点,也是单核到多核的一大转折点,因为英特尔是继Sun、IBM、AMD之后宣布走向多核。
CPU的性能=时钟频率*IPC(IPC即一个时钟周期完成的指令数),而CPU的功耗和电流*电压*电压*主频成正比,增加主频很可能会以3次方的速度增加CPU的功耗,而增加IPC只会线性的增加CPU的功耗。假如增加1倍IPC而减少一倍时钟频率很可能产生一个结果CPU性能没有改变,而功耗却大幅地降低了。毫无疑问多核可以增加IPC,可以减少时钟频率的同时增加CPU的性能。
总结
过去的30多年里,CPU性能随着主频的提高而提高是芯片产业从技术、应用、产业发展的基石,而现在大厦的基石却彻底地改变了。只能说单核提升主频来提高CPU的性能过于理想化,以至于忽略了很多外在的因素,现实无情的打脸最终才让芯片巨头们走向了多核之路。
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▎≅为什么现在cpu不再提高主频而是走多核?
有个重物50kg,一个人搬不动,解决的办法有两种,一是锻炼身体,增加肌肉力量,半年苦练后基本就搬得动了;而是再喊一个帮忙抬一下,1分钟解决。[大笑]
▎⇦为什么现在cpu不再提高主频而是走多核?
现在cpu并没有在核心数上突飞猛进,多核已经是十年前的技术了。现在普遍仍然停留在8核,服务器16核,多的32核,无法进一步提高。为啥,因为多核在访问缓存和内存上需要一定的同步机制。简单讲,核越多,协调它们越困难,访问缓存和内存越慢,制约了核心数的进一步提高。计算机体系结构是一个整体,cpu架构也是一个整体,不是单单某一方面决定的。比如就现在的计算机结构而言,制约其速度的根本不是cpu主频,而是内存访问速度,一级缓存,二级缓存,三级缓存存在的根本原因就是内存访问速度太慢。现在cpu的发展更多的是属于设计,优化范畴,而非技术突破,相对已经进入瓶颈期,单看主频和核数已经意义不大。
▎ℐ为什么现在cpu不再提高主频而是走多核?
CPU性能可以通过哪些参数来衡量,相信很多人最先想到的都是CPU频率,在架构工艺相同的情况下,CPU频率越高性能越强。记得在2003年之前,CPU的频率提升幅度都不算小,1981年的时候IBM电脑的CPU频率是4.77Mhz,到了1995年英特尔CPU频率达到了100Mhz,提升了20多倍。
2000年AMD的CPU频率领先Intel突破了1Ghz,这5年里面频率提升了10倍,随后2003年英特尔CPU频率达到了3.7Ghz,就3年的时间,频率又翻了几倍,而到了2021年,CPU单核最高也就5.3GHz了,相比过去那些年的CPU频率提升可以用缓慢来形容了。
为什么主频提不上去?
影响CPU频率的一个物理限制条件是,主频与信号在晶体管之间传输的延迟成反比,也就是说晶体管密度越大,时钟频率越高,而这也是在2003年以前CPU频率可以通过采用更先进的工艺来提升主频,而且提升的效果是特别明显的。
但是CPU的频率提升不是没有限制因素的,这个因素就是能耗发热问题,能耗过高会导致CPU发热过大,可能会导致CPU烧毁,而CPU的能耗和时钟频率三次方成近似正比关系,也就是说频率翻倍,能耗可能会达到之前的8倍。
之前对FX8350和FX9590的主频和功耗关系进行过相关计算,大致的验证一下能耗与频率提升的关系,因为FX9590就是FX8350的官方超频版本,同样的工艺架构,同样的核心数量,可以很好的观察频率和功率的关系,FX8350默认频率是4Ghz,FX9590默认频率是4.7Ghz。
FX9590的频率是FX8350频率的1.175倍,1.175的三次方是1.62,也就是说理论上来说FX9590能耗比FX8350要高62%,对二者的TDP进行对比,可以发现FX9590比FX8350要高76%(220除以125然后减去1),从这个结果来看,CPU的能耗和时钟频率的三次方成近似正比关系是成立的,总之可以肯定频率和能耗的提升关系不是线性的。
当然有人会说,既然能耗增加导致发热,那采用先进工艺不就可以缓解这个问题了,理论上来说是的,不过工艺越先进,热密度越来越高,更容易出现积热问题,就像7nm工艺虽然可以提供比14nm更低的能耗,但是7nm处理器的积热问题更严重,能耗虽然低不少,但是温度并不会比14nm的产品低,这也导致靠工艺提升来提升频率越来越困难。
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