超能教室(111)：讲了这么多年的CPU频率到底是什么？

Intel、AMD在发布新CPU的时候总会公布其的根本频率，实在这个频率多少多少GHz，实在指的是CPU内部的数字时钟旗子暗记频率，又称为时钟频率，因此它并不能代表CPU的真实性能水平，4GHz的CPU不一定就比3GHz的强，至少我们不能一概而论。
但是时钟频率的高低确实关系到一个CPU的运算速率，频率越高意味着运算的速率越快？那么4GHz频率是有多快呢？

频率的观点

在CPU这个繁芜的数字系统中，为了确保内部所有硬件单元能够协同快速事情，CPU架构工程师们每每会设计一套时钟旗子暗记与系统同步进行操作。
时钟旗子暗记是由一系列的脉冲旗子暗记构成，并且总是按一定电压幅度、韶光间隔连续发出的方波旗子暗记，它周期性地在0与1之间往来来往变革。
如下图所示。

在第一脉冲和第二个脉冲之间的韶光间隔称之为周期，它的单位是秒（s）。
但单位韶光1s内所产生的脉冲个数称之为频率，频率的最基本计量单位便是赫兹Hz。

时钟频率（f）与周期（T）两者互为倒数：f=1/T

这个公式表明的便是频率表示时钟在1秒钟内重复的次数，而目前的CPU普遍已经处于GHz级，也便是说每秒钟产生10亿个脉冲旗子暗记。

CPU处理器主频

以Intel Core i3-8350k为例，它的默频是4GHz，意味着它内部时钟频率为4GHz，一秒钟可以产生40亿个脉冲旗子暗记，换句话说每一个脉冲旗子暗记仅仅用时0.25ns（时钟周期）。
这是多么令人震荡的时钟，可以想象到CPU内部构造是多么精妙，可以处理如此之短的旗子暗记，整套系统协同有序地运行，以是才会说CPU是全人类聪慧的结晶，极大地提升了我们的科技水平进步。

时钟周期作为CPU操作的最小韶光单位，内部的所有操作都因此这个时钟周期作为基准。
一样平常来说CPU都因此时钟脉冲的上升沿作为实行指令的基准，频率越高，CPU实行的指令数越多，事情速率越快。

那么CPU频率是由什么决定的呢？实在这个是一个非常繁芜的问题，由于决定这个频率是一个别系学的东西，影响到频率高度的成分非常之多，诸如CPU的架构、流水线设计、内部寄存器设计、支持的指令乃至是功耗、温度这些物理成分，以是说CPU出厂频率便是综合多种考虑，以木桶效应下的最小值作为CPU的最高频率。

那我们现在的CPU主频为什么会变呢？

而拥有Turbo Boost技能的CPU每一个核心都有自己的PLL（Phase Locked Loop，锁相环）电路，这样每个核心的电压和频率都可以独立掌握，为此Intel专门在CPU内部设计了PCU（Power Control Unit，功耗掌握）单元，PCU会以1ms（每秒1000次）的速率实时监测这四个核心的温度、电流及功耗等参数，因此又有Turbo Boost频率可以根据负载须要调度CPU的频率。
同时由于参与到运算的核心数越多，掌握起来就更为繁芜，以是一样平常核心数目越多，能达到最高频率越低。

外频

CPU在出身后不久，各大CPU巨子为了追求高性能，开启了频率大战（有没有效果这个我们先不提），但是这样一来，CPU虽然跑得改换了（主频更高），但是外部的主板芯片组、内存、外部接口（PCIe、Sata）可还是处于旧有标准，而且这些设备的运行频率早就固定下来了，并且远低于CPU事情频率。
这样一来CPU就无法很好与之互换，Intel就机警地提出了倍频的观点（下面讲述），并且提出了影响至今的一个CPU主频打算公式：主频=外频 X 倍频，外频的提出可以让主板外部的设备事情在较低的频率下，并且还能精确地CPU进行互换。

但总是有很多网友将前端总线频率和外频混为一谈，实在他们不太一样。
在以前有北桥的时期，前端总线是CPU总线接口单元和北桥芯片之间的数据交流通道，曾经在AMD雷鸟系列、Intel奔驰 4处理器以前，前端总线与外频是同等的，但后来有了四倍数据传输率技能或者是八倍数据传输率技能，前端总线频率就极大地提高了。
举个例子，如果一个处理器的频率是2GHz，外频为100MHz，利用四倍数据传输率技能时，前端总线频率就变成400MHz；如果是八倍，那么便是800MHz。
前端总线频率越大, 代表着CPU与北桥芯片之间的数据传输能力越大, 更能充分发挥出CPU的功能。

目前处理器的默认外频基本上都是100MHz

倍频

目前的CPU设计的外频都相称低，只有100MHz，CPU要得到更快运算速率，我们就须要得到一个超高速的频率来支撑更快运算速率。
而CPU常日便是在内部设计有一个锁相环频率发生器，对付输入的时钟旗子暗记进行分频处理，按照一定比例提高输入的外频频率，从而得到CPU的实际事情频率，这个比例就称之为倍频系数（简称倍频）。

利用倍频技能, 较为完美地办理了CPU和内存等数据中转站的异步运行问题。
为CPU后来向更高频率方向发展打下了踏实的根本。

超频

超频作为耐久不衰的话题，一贯都是PC DIY界中的常青树，一样平常是指强制设备运行在高于其默认频率的主频以得到更高的性能，诸如CPU、显卡、内存等都可以超频, 个中以CPU为最为盛行，可以在最大程度压榨CPU的性能，提高产品的性价比。
而Intel、AMD一贯将CPU可超频作为一大卖点宣扬，那么我们超频超的是哪个频率？

根据CPU主频打算公式：主频=外频 X 倍频，我们无非便是超外频、倍频。

其实在不同时期，超得的是不同的频。
在Pentium MMX时，Intel为了让CPU稳定事情，在主板BIOS中锁定了倍频， 不能随意变动倍频，那时候的我们只能从提高外频动手，一些旧式主板可通过设置主板上的跳线来变更打算机系统的外频（还记得跳线怎么插吗？），而在后期的主板BIOS中一样平常都会有SoftMenu技能，我们只须要在BIOS界面中动动手指头，调度外频频率就可以顺利提高CPU的主频。

而现在大家为了创造更高的主频，一样平常都是选择超倍频，由于超倍频提升幅度远比外频要高，而且来得随意马虎。
同样只须要在主板BIOS上调度倍频即可，目前很多主板都自带一键超频功能，主板厂商都BIOS中帮你调度好超频参数，只须要一键点击皆可以超倍频。

在相同的外频下, 倍频越高 CPU的主频也越高。
但实际上，CPU倍频太高了，但是CPU与系统其他设备传输速率还是一样，之间的数据交流有限，造成了高主频的CPU就会涌现明显的“瓶颈”效应-----CPU 从系统中得到的数 据的极限速率不能知足 CPU运算的速率。
因此有时候为了知足外部传输需求，我们要适当超外频。

须要把稳的是，超频会导致CPU发热量远大于正常事情温度，乃至是降落 CPU性能、寿命（缩缸）或造成系统的不稳定（蓝屏）。
降落 CPU 寿命是由于超频产生的高温会导致“电子迁移”征象， 而“电子迁移”征象会破坏CPU内部精密设计的晶体管，以是一定要必须做好CPU的散热事情，液氮超频也是出于这样的考虑。

但有时候CPU体质不佳（内部晶体管在制造的时候存在某些毛病、瑕疵），导致超频困难，须要对CPU核心施加更高的事情电压，以我们拿到的地雷级intel Core i3-8350K为例，为了上5GHz频率，电压已经加到1.5V（默认1.34V），而之前的Core i7-7700K分分钟上5GHz。

那为什么我们现在CPU频率基本还勾留在4GH平台呢？

CPU处理器中有一条金科玉律，那就大名鼎鼎的摩尔定律，它阐述了晶体管数目与性能提升的关系，之于它究竟是还活着，还是像去世了般活着还很难说。
但是我们本日要讲的是另一条不太出名的定律——登纳德缩放比例（Dennard Scaling）。

1974年内存之父罗伯特登纳德在其论文中表示，晶体管面积的缩小使得其所花费的电压以及电流会以差不多相同的比例缩小，这个便是登纳德缩放比例定律。
很多人摸不着头脑，这个和CPU频率提升有半毛钱关系吗？

确实密切干系。
我们先理解晶体管功耗是如何打算的，静态功耗的便是常规的电压乘以电流，W=V x I。
而晶体管在做 1和 0的相互转换时会根据转换频率的高低产生动态功耗，W=V2x F。
显然，频率越高，功耗就越大，但我们在此后的30年都没有放弃做频率更高的CPU呢？

答案是以为我们的半导体工艺一贯在进步，目前乃至已经做到了10nm，7nm量产在即。
根据登纳德缩放比例，工艺的提升，可以让晶体管们做的更小，导通电压更低，显然就填补了频率提升带来功耗增加问题。
但是我们的工艺并不是无休止境地提升，很快就会进入了一个长期的技能平台期，7nm往后路将会十分艰辛。

而且晶体管尺寸缩小往后，静态功耗不减反增，带来了很大的热能转换，加之晶体管之间的积热十分严重，让CPU散热问题成为亟待办理的问题。
散热做不好，CPU寿命大大低落，而且目前普遍存在的动态频率技能，过热会让CPU处于最低事情频率，高频只是个装饰、是个笑话。
纯挚提高CPU时钟频率由于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利用液氮为CPU降温，以是Intel、AMD都很识趣地停滞了高频芯片的研发，转而向低频多核的架构开始研究。

极限超频一样平常都是须要液氮、液氦来赞助散热

也因此我们目前才会看到多核CPU的大爆发，这是提升性能更好的方法。
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