CPU效能是如何提升的? 頻率與IPC科普

不管是消費級市場的AMD和Intel,還是在商用領域的各種晶片廠商,使用者評判CPU晶片產品好壞的標準只有一個,那就是效能。一般使用者判斷CPU效能只用看處理器的實際表現就足夠了,而在業界,CPU處理器的效能有一個標準的判斷公式:CPU效能=IPC x 頻率。這個公式最早由Intel提出,並被廣泛認可。

CPU性能是如何提升的? 频率与IPC科普

其中頻率我們都不陌生,也就是MHz的時鐘速度,也是最近兩年CPU一直在炒作的話題。頻率越高,處理器指令執行越快,在實際應用中的表現是頻率越高軟體打開速度越快渲染時間少,遊戲幀數高等。

說道頻率,就不得不提到現在火熱的CPU製成工藝,也就是大家經常聽到的14nm12nm7nm等話題。這些CPU半導體工藝上所說的多少nm藝並不是晶片裡面電晶體的大小,而是晶片上電晶體門電路的寬度,門電路之間連線的寬度與門電路的寬度相同,所以線寬就是制程工藝所描寫,現階段主要以納米(nm)為單位。

制程工藝越小越精密,門電路的寬度也就越小,電晶體就可以做得更小、更密集,從而晶圓也就更小,晶片本身沒有變得更複雜,這樣就讓成本降低不少。

CPU性能是如何提升的? 频率与IPC科普

台積電曾經說過這些電晶體的性能是不變的,只是工藝越高級如14nm到10nm,晶片能承載的電晶體會越多,從而減低成本,工藝的提升主要是減少晶片的發熱和功耗,所以通常晶片制程工藝上升之後,晶片的頻率也會隨著提高。

CPU性能是如何提升的? 频率与IPC科普

IPC就很複雜了,全稱是instruction per clock,譯指CPU每一時鐘週期內所執行的指令多少, IPC是由處理器的設計架構所決定的,設計架構決定了處理器的IPC高低,所以想要提升IPC,就得對設計架構進行升級。

CPU性能是如何提升的? 频率与IPC科普

前幾年因為CPU市場的整體設計架構沒有太大的變化,IPC的概念和聲量越來越小,直到最近兩年AMD的Zen+和Zen2的到來,才讓大部分人知道CPU的性能表現,不只取決於頻率。

所以CPU性能的提升不僅依賴于工藝進步,架構的不斷升級也是關鍵,晶片的設計製造都有自己的一套邏輯和規律,工藝和架構的進步費時、費力而且燒錢,還得有天馬行空般思維的天才帶領才行。這個行業的進步只有一步一個腳印,沒有僥倖和彎道超車的說法。

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