为什么CPU的体形不变，其性能却不断提升

电脑 2023-11-09

CPU的处理速度为什么能越做越快?

CPU性能无非就两种。一种是频率。一种是晶体管数量。

而现在频率难提升。所以只能从晶体管数量上想办法了。所以就出现了双核多核。单核心因为制造工艺问题只能在一定功耗下集成一定数量的晶体管要是再多那么成品率就会降低。

才生产多个单核然后再集成在一起，而晶体管数量到一定程度必然功耗也到一定程度。所以为了控制功耗又能保证晶体管数量所以从制造工艺上改进了。

工艺越先进可以在一定功耗下集成的晶体管越多成品率越高。晶体管大小直接影响功耗。做的越小功耗越低。但是功耗都是在一定限制范围内的。

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超频的意思其实主要就是让CPU在一个说明书上没有记载或没有支持的频率下工作，通常数值比原来还高。超频的诱因在于可以用较少的花费，增进系统的效能。

cpu处理速度主要看晶体管数量，晶体管的工艺提升了，数量就多了，速度当然快了，比如以前是180纳米工艺，如果集成1亿个，现在是32纳米工艺，就可以集成6亿个，速度当然就比以前的快至少6倍了。

CPU频率和十年前比没高多少却提高了速度，是什么原因？

现在的电子产品，基本内部都有一个cpu集成在主板上，但是有一些笔记本主板上的cpu其实属于可拆卸的台式机cpu，而cpu的频率会发现其实并没有得到多大的提高，于是很多人疑惑CPU频率和十年前比没高多少却提高了速度，是什么原因？其实这和cpu的发热量，以及cpu的制程工艺都有很大的关系。

首先电子产品里面cpu其实就好比人体中的大脑，进行着数据的分析运算，也是评价一台电脑或者手机的根本点，而同时cpu的频率也是一个很大的考量，也就是所谓的单核性能，几年前的i3 8100其实就达到了很大的频率，3.6g这个频率即便是放在今天也是不容小看的，很多现在的cpu也是这个主频，虽然可以超频但是最大也就4.3g左右，这和发热量有着很大的关系，cpu的工作能力越高发热越大，但是台式机的散热还好说，如果超过了4.3g主频的发热，估计主板都受不了。

按照摩尔定律来说确实cpu的性能应该是呈现递增而且是倍涨的趋势，但是cpu不仅仅只是考虑自己还要考虑主板内存条等等，如果发热这么大，cpu风扇根本压不住，到时候可能会给电脑主板直接巨大减少寿命，还有制程工艺，目前最好的也就是7纳米，但是这也差不多是一个极限了。

如果说超过这个极限可能还会达到更大的主频，但是目前科技手段还是办不到，所以说CPU频率和十年前比没高多少这是有道理的，但是核心数目增多了，尤其是对于amd，现在真的是便宜同时性价比还很高，台式机选择可以amdcpu加inter显卡。

CPU的处理速度为什么能越做越快?

因为现在处理器更新换代非常快，所以性能就很强大，简而言之处理器越好，处理速度越快。而且电脑的其他配置都在提升，CPU不随之提升，无法提高电脑整体的运行速度。

CPU性能无非就两种。一种是频率。一种是晶体管数量。而现在频率难提升。所以只能从晶体管数量上想办法。而晶体管数量到一定程度必然功耗也到一定程度。所以为了控制功耗又能保证晶体管数量所以从制造工艺上改进了。工艺越先进可以在一定功耗下集成的晶体管越多成品率越高。

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现在的处理器速度确实很快，但是从读取内存的数据确实太慢了，原因比较多，最主要的两个原因是要么内存不够，要么内存离CPU太“远”，因此CPU要等比较长的时间，所以为了充分发挥CPU的速度，就需要延时更短速度更快的内存。

CPU的处理速度的相关内容：

1、主频。一般说来，主频越高，CPU的速度就越快，整机的就越高。不过现在AMD都采用了更加模糊的命名方式，企图让消费者淡化以主频率计算性能的观念。比如Athlon 3000+，它的频率有可能是2.20GHz，也有可能是2.0GHz 。

2、FSB前端总线即CPU的外部时钟频率，由电脑主板提供。外频速度越高，CPU就可以同时接受更多来自外围设备的数据，从而使整个系统的速度进一步提高。

3、内部缓存封闭在CPU芯片内部的高速缓存，用于暂时存储CPU运算时的部分指令和数据，存取速度与CPU主频一致，L1缓存的容量单位一般为KB。L1缓存越大，CPU工作时与存取速度较慢的L2缓存和内存间交换数据的次数越少，相对电脑的运算速度可以提高。

为什么CPU频率和十年前比没高多少却提高了速度，速度是什么决定的？

频率并不是衡量CPU性能的唯一标准。Intel、AMD在发布新的CPU的时候都会公布基础频率，其实这个频率多少GHz是指CPU内部的数字时钟信号频率（时钟频率）。它并不能代表CPU的真实性能水平，4GHz的CPU不一定就比3GHz的强。

高频低能的例子

案例一：早年，AMD和Intel还在1GHz左右激烈角逐时，Intel受到基于K7架构的速龙威胁，匆忙推出1.13GHz奔腾3处理器。奔腾3因为很多问题而被迫召回。而当时的人们认为主频的高低就代表了CPU的性能的高低。于是接连失利的Intel就憋出了一个大招，推出了NetBurst架构的奔腾4，出场就是1.4~1.5GHz。

不过很快就有人发现了问题，通过跑分测算：奔腾4的1.5G大概只有奔腾3的1.2~1.3GHz水平。频率之所以这么高，奥秘在于架构上，奔腾4基于NetBust架构采用了20级流水线技术，在这之前是10级。长流水线的好处是把频率做高，但是效率低。

案例二：像极了奔腾4的超长流水线设计，AMD的推土机也成为了奔腾4一样的高频低能，单核的性能相比自家的上一代K10架构有明显的倒退。

“性能不够、超频来凑”，把这点做到极致的是FX-9590，基础频率4.7GHz、最大动态加速到5.00GHz，TDP达到了220W。以至于90%的风冷散热器根本压不住，所以FX-9590搭配了高端水冷散热器捆绑销售。频率的概念为了确保CPU内部所有硬件单元能够协同工作，就需要一套时钟信号与系统同步进行操作。

时钟信号是由一系列的脉冲信号构成，并且总是按一定电压幅度、时间间隔连续发出方波信号，周期性的在“0”和“1”之间往复的变化。

单位时间1s内产生的重复性脉冲的个数就是频率（单位Hz），时钟频率与周期互为倒数（f=1/T）。1GHz就意味着1s会产生10亿个时钟脉冲信号，可以想象到CPU内部结构是多么精妙，可以处理如此短的信号，整套系统又可以协同有序地运行。CPU的主频为什么会变？

比如Turbo

Boost技术让CPU每一个核心都有自己的锁相环电路，这样每个核心的电压和频率都可以独立控制。功耗控制单元会以1ms（每秒1000次）的速度实时监测核心的温度、电流及功耗等参数，所以CPU可以根据负载需要调整CPU的频率。同时由于参与到运算的核心数越多，控制起来就更为复杂，所以一般核心数目越多，能达到最高频率越低。

外频在计算机主板上，以CPU为主，内存和各种外围设备为辅，有许多设备要共同在一起工作。这些设备之间的联络，数据的交换，都必须正确无误，分秒不差。因此，它们必须要有一个固定的时钟来做时间上的校正，协调或者参考。这个时钟由主板上的时钟发生器产生，就是所谓的外频。倍频CPU虽然跑得更换了，但是外部的主板芯片组、内存、外部接口还是处于旧有标准。

这些设备的运行频率早就固定下来了，并且远低于CPU工作频率，就无法很好与CPU交流。CPU要获得更快运算速度，就需要获得一个超高速的频率来支撑更快运算速度。而CPU通常就是在内部设计有一个锁相环频率发生器，对于输入的时钟信号进行分频处理，按照一定比例提高输入的外频频率，从而得到CPU的实际工作频率，这个比例就称之为倍频系数（简称倍频）。

超频根据CPU主频计算公式：主频=外频
X
倍频，超频无非就是要超外频、倍频。一般都是选择超倍频，因为超倍频提升幅度远比外频要高，而且来得容易。目前很多主板都自带一键超频功能，主板厂商都BIOS中帮你调整好超频参数，只需要一键点击皆可以超倍频。

实际上，CPU倍频高到极限了，CPU与系统其他设备传输速度还是一样。CPU从系统中得到的数据的极限速度不能满足CPU运算的速度。因此有时候为了满足外部传输需求，我们要适当超外频。超频产生的高温会导致“电子迁移”现象，

而“电子迁移”现象会损坏CPU内部精密设计的晶体管，所以一定要必须做好CPU的散热工作，液氮超频也是出于这样的考虑。

影响到频率高度的因素非常之多，如：CPU的架构、流水线设计、内部寄存器设计、支持的指令、功耗、温度等等。所以说CPU出厂频率是综合多种考虑，以最小值作为CPU的最高频率。为什么现在的CPU频率还停留在4GHz左右呢？我们先要了解晶体管功耗是如何计算的：静态功耗等于电压乘以电流，W=V*I。晶体管在“1”和“0”之间相互转换时会根据转换频率的高低产生动态功耗，W=V2*F。显然，频率越高，功耗就越大。为什么芯片产商没有放弃做频率更高的CPU呢？因为半导体工艺一直在进步，10nm、7nm、5nm、3nm。晶体管面积的缩小使得其所消耗的电压以及电流会以差不多相同的比例缩小。工艺的提升，可以让晶体管做的更小，导通电压更低，显然就弥补了频率提升带来功耗增加问题。但是工艺不能无休止境地提升，7nm以后路将会十分艰辛。

显然，频率越高，功耗就越大。为什么芯片产商没有放弃做频率更高的CPU呢？因为半导体工艺一直在进步，10nm、7nm、5nm、3nm。晶体管面积的缩小使得其所消耗的电压以及电流会以差不多相同的比例缩小。工艺的提升，可以让晶体管做的更小，导通电压更低，显然就弥补了频率提升带来功耗增加问题。但是工艺不能无休止境地提升，7nm以后路将会十分艰辛。

晶体管尺寸缩小以后，静态功耗不减反增，带来了很大的热能转换，晶体管之间的积热就会十分严重。CPU散热问题成了待解决的问题，如果散热做不好，CPU寿命大大下降。

目前的CPU普遍存在的动态频率技术，过热会让CPU处于最低工作频率，高频这时只是个装饰和笑话。单纯提高CPU时钟频率，会因为随之而来的散热问题而变得不再现实，毕竟我们不会无时无刻地使用液氮为CPU降温，所以Intel、AMD都很识趣地停止了高频芯片的研发，转而向低频多核的架构开始研究。

每年手机的处理器，为啥性能都是只提升20％？原因是什么？

因为手机处理器本身就有性能上限，不可能无限提升。

每当我们看到新款手机发布的时候，手机发烧友们都非常期待手机处理器的性能提升。然而事实上，可能手机的处理器性能提升空间并不大，有些手机的处理器性能甚至只提升了5%，好一点的会提升20%，这主要是跟我们的科技发展速度和发展局限性有关。

一、手机处理器本身就有性能上限。

我们可能会觉得科技产品一年会比一年好，同时也会出现性能大幅上升的情况。然而在现实生活当中：手机性能长期稳步目前已经是一种必然趋势了，这个情况已经延续了多年。我们知道科技并不可能无限向前发展，当我们没有突破技术瓶颈的时候，很多手机的处理器性能确实提升速度非常慢。

二、这也跟科技发展的局限性有关。

我们所能看到的一切科技产品的研发都跟基础科学有关，在我们的基础科学没有取得长足进步与突破的时候，我们的科技产品其实并没有太大的发展空间，这也正是科技发展的局限性所带来的具体体现。科技的发展不仅有所谓的线性发展，同时也需要突破科技局限，更需要进行科技迭代，这个过程本身并不简单。

三、这跟很多手机的预算有关。

虽然手机处理器的性能提升幅度并不大，但这并不意味着我们不能造出更强性能的手机处理器。在多数情况下，手机品牌方会充分考虑手机的性价比问题，如果花费巨额资金在手机的处理器上，手机的售价会变得非常高，这未必符合市场需求。从某种程度上来讲，手机处理器的性能提升幅度和性价比高度相关，我们不仅需要关注手机处理器的性能问题，更需要关注消费者的价格承受能力。