10分钟看懂CPU构造原理

从宏观人类的意义上来说,CPU 是目前人类科技含量最高,工艺最复杂,结构最精细的产物结晶。
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从微观每个人的角度上来说,CPU 好像也就不过是个商品,还是大家都能买得起的那种。
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但,并不是所有人都懂 CPU 构成,甚至,连 CPU 怎么选购都不知道,那,要不要来了解下 CPU 的构成 以及 CPU 如何选购?
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众所周知,计算机只能识别 1 和 0,为什么呢?根本原因在于 CPU 或者说所有的电子元件,只能有两种状态:变(1)、不变(0)/ 开(1)、关(0) 。
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但是知道这个和 CPU 有什么关系呢,CPU 的根本任务就是执行指令预算,也就是1 0 1010101010101000101010101010101010010101010101010101001这个过程到底是怎样实现的呢。这就要从 CPU 的内部结构开始说起了:
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cpu 内部主要是由一大堆的运算器、控制器、寄存器组成。
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运算器负责算术运算(+ - * / 基本运算和附加运算)和逻辑运算(包括 移位、逻辑测试或比较两个值等)。控制器则高级一点,负责应对所有的信息情况,调度运算器把计算做好。寄存器就稍微复杂一点,既要对接控制器的命令,传达命令给运算器;还要帮运算器记录处理完或者将要处理的数据。
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在这三种元件外,还有缓存(cache),总线,核心显卡
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如果这么说你理解不了,没有关系,我们用一个例子来说明一下:假设 CPU 是一个工厂,一个核心就是工厂的一个车间
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那么运算器就是工厂里的普工,只负责生产(运算)
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寄存器呢,就是一个工具人,有时需要传递信息(数据),有时需要搬运物资(数据)。
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控制器则是车间主管,管理调剂所有普工和工具人,压榨他们的劳动价值。
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直到有一天,工厂发现一个车间(核心)效率不够,就只能增加车间(核心)来提高整个工厂效率。
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但是,渐渐的,又有新问题出现,工具人虽然效率高,但是数量不多,而随着越来越多的原材料(数据)涌入,工具人搬不过来。这时工厂就整了一个小板车(cache),专门用来运输、寄存工具人搬不过来的数据,而且各工厂可以共享其中一部分(intel 的 L3 cache)。
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随着车间数量(核心数目)增加到八,工厂发现有些时候出货量挺高的(全车间都开工),但有些时候只有一两个个车间开工,其它车间都在围观(调度问题)。
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而且整个工厂一起开工,用电量和发热量也急剧上升,但是各车间的效率(频率)就是上不去,此外,还要担心电力供给、散热、物资(数据)运输等各类问题。
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终于,在投入了大研发后,工厂的厂房布局设计(架构)有了大改进,
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各部门之间的交通更便利了;并且,工厂也重新招聘短小精悍的工人(提升制程工艺),将以前那种牛高马大,光吃不干的大块头全部淘汰了。至此,同样大的车间,能融入更多的工人干活了,而且短小精悍的工人,吃的饭还少(功耗低)。
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但,工厂的难题还有很多,有些是内部问题,有些是外部问题,在这种内忧外患的情景下,intel 不由得又挤了一管牙膏压压惊。
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怎么样,这个例子能让你们理解 CPU 里运作的过程了嘛,对应的一些参数了解了嘛?没有的话,我就再补充说明一些很重要的参数
参数详解
核心线程
核心是 CPU 处理数据的一个大单位,理论上来说,核心数越多,干活的效率越高,或者说可以同时干的事情越多,就像一个工厂,这个车间可以生产这个零部件,那个车间可以生产另外一个零部件。
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线程则是提高核心的使用效率,比如在这个车间生产这个零部件的时候,有些工艺是需要等待的,而在这个等待的时候,工人们都闲着,那线程技术就会让这个暂时闲置的核心干其它的事,持续压榨工人的剩余劳动价值。
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因为CPU 的工作过程非常块,在足够长的时间段上,可以看作是CPU同时干了两件事,也就是把一颗单核的CPU 变成了双核。
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但核心线程并不一定是越多越好的,因为 CPU 还有一个很重要的指标
频率
CPU 的频率简单说是 CPU 运算时的工作频率(CPU 内部的数字时钟信号频率),是单位时间1 S 内产生的脉冲信号个数。
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虽然频率高的 CPU 不一定能比低的强,但频率的高低的确关系到整个 CPU 的运算速度。
影响到频率高度的因素非常之多,诸如 CPU 的架构、流水线设计、内部寄存器设计、支持的指令甚至是功耗、温度这些物理因素,所以说 CPU 出厂频率就是综合多种考虑,以木桶效应下的最小值作为 CPU 的最高频率。
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那么,CPU 的主频又是什么呢?主频是指 CPU 内核工作的主时钟频率。
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主频有一个公式:主频 = 倍频 * 外频,为什么会有这个公式呢?这就要从很久以前 CPU 大战的时候说起,那时 CPU 的频率和外频是一样的,但 CPU 厂商为了竞争(宣传),就通过提升 CPU 的频率来占据市场。而与此同时,其它硬件的工作频率也就是外频,却没有提升,依旧沿用旧有的标准。
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这样下来,整个系统就不能很好的同步交流了,于是在这个时候,Intel 就创造性的提出了倍频的概念,让 CPU 频率运行在外频的某个倍率上,这样频率较高的 CPU 就能和较低的外频进行同步交流了。
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至于超频,简单提一句,根据上面 CPU 主频的计算公式,超频是通过提升 外频或者倍频 来提升CPU 主频,让 CPU 性能提升的一种手段。
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超频有风险,收益太低,建议不要轻易操作。特别是现在 CPU 厂家要么早已压榨完CPU的性能(AMD),要么贼奸的把超频算计在内(intel),而超频对于实际体验来说,就是那几帧或者那几秒的事情,性价比真的太低了。
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架构和工艺
虽然频率一定程度上反映了 CPU 的性能,但是单纯追求高主频会让功耗急剧上升,从经济上来说并不合算,现在的 CPU 厂商早就放弃了单纯追求高主频带来的性能提升,转而提高每瓦性能。而这个是通过什么实现的呢?CPU 的 架构 和工艺
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架构是什么意思?在说架构前,你需要知道一个概念:指令集,指令集是CPU 执行计算任务时的规范或者说语言。换句话说, CPU 在计算时是依照指令集的规范来实现的,而架构就是实现这个指令集的物理结构。
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打个比方,我们如果要计算 1+1,我们规定在算盘上最右边的珠子一个对应一个1,那 1+1 就是拨动两个最右边的珠子,这就是指令集和架构,优化这两个东西,就能使得 CPU 的效率提升。
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当然,里面的过程太复杂(我也不懂),所以大家理解万岁。 而工艺是指制造CPU或GPU 里 晶体管门电路 的尺寸,单位为纳米。
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制造工艺越低,CPU 里所含的晶体管越多,CPU功能也就越丰富,同时功耗也会降低,频率也能拉高。核心面积也将减少,这就意味着,同样大的晶圆,能造出的 CPU 越多,价格就更低。制造工艺的提升当然也不全是好事,一方面,新工艺总会有未知的问题,而打磨旧工艺,有些时候说不定也能有提升...不行了,我摊牌了,intel 你还要打磨你的14nm 多少年啊! 最后,再说说
TDP 热设计功耗
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一般来说,TDP 是指对散热方案设计的最低功耗设计,散热器只要满足 > TDP 就可以及时排出 CPU 发出的热量,即能保证 CPU 正常工作。但后来随着 intel 睿频2.0 的应用,引入了PL1、PL2、PL3、PL4和Tau ,在这四个不同的阶段,就会有不同的热量,所以 一般选购散热器时,都应考虑稍高于TDP 的散热器。
PL1是CPU能够长期工作的阈值,一般设定为TDP;PL2是CPU段时间能够超TDP工作的阈值,Intel推荐PL2比PL1高25%;PL3/PL4一般厂家不设置,这里略过;Tau是CPU能够坚持在PL2的时间长度。
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那说了这么多参数,和你我选购 CPU 有什么关系呢。容我想想好像真没太大关系,不过当你都能清楚 CPU 的构造、参数后,你对你选购的 CPU 就会更有底气,也能一眼看出嘤嘤嘤今年是不是又挤了牙膏,农厂今年是不是继续 YES。
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话说回选购,尽管上面有那么多参数,就算能看懂后,依旧不能很好的衡量 CPU 的综合性能,这时你就要知道,其实有两个参数可以很直观并且客观的反映 CPU 的性能,第一个是 价格,一般在同品牌的前提下,越贵的自然就越好。
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第二个就是 跑分,性能越强的,跑分分数就越高,
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而再根据这些分数排序,就有 天梯图 的出现,性能越强的 CPU ,天梯的位置也就越高
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所以,买 CPU 看不懂原理参数,没有大关系的,结合你的钱和 CPU 的分数,就能选出比较适合你的CPU (应该是对你而言 性价比最高的 CPU)
此外,其实 两家 CPU 厂商早也给分好类,就等你入手,以主流的intel 酷睿系列AMD 的锐龙系列来说,它们的产品定位由低至高依次为:
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虽然 CPU 的定位是这样,但是,电脑是看整体硬件性能的,所以需要合理搭配
一点鸟语:同样定位的前提下,AMD 的综合性能会强上一筹,Intel 的游戏性能略微胜出,但是 AMD 的价格却又低了一点, AMD,YES!但是,如果你只是一个臭打游戏的,那我还是比较建议你购买 intel 的U,配上老黄的显卡,这可能还是目前最稳妥的打游戏解决方案。
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总结
如果是选购 CPU,那直接点的就是看跑分(天梯图)、软件/游戏的实测以及价格。但如果是想学 CPU 的构造之类的,说实话,我也只是略懂些皮毛,这篇文章可能帮不到你太多。最后,我还是想要再强调一次,电脑是整个系统,并不仅仅只是靠某个部件强就强的