【原】現(xiàn)代的處理器設(shè)計(jì)，為何不能回到“低主頻”時(shí)代

三易生活 2023-08-19 發(fā)布于湖北

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2004年10月的一天,，在美國(guó)佛羅里達(dá)舉行的一場(chǎng)產(chǎn)業(yè)會(huì)議上,，時(shí)任英特爾公司首席執(zhí)行官貝瑞特曾單膝跪地、雙手合十,，以一種夸張又略帶幽默的方式向消費(fèi)者誠(chéng)懇道歉,。

而他道歉的原因則很簡(jiǎn)單，因?yàn)楫?dāng)時(shí)英特爾決定取消原定即將發(fā)布的,、代號(hào)“Tejas”的4GHz奔騰4處理器,。他們終于意識(shí)到，一味推高頻率,，并不總能帶來(lái)更快的速度,，相反超高主頻設(shè)計(jì)給整套系統(tǒng)帶來(lái)的功耗,、散熱,，以及成本壓力已經(jīng)太大,。

當(dāng)時(shí)的Intel產(chǎn)品路線,，Tejas據(jù)說(shuō)原本會(huì)被作為究極奔騰4，或奔騰5發(fā)布

是的,，當(dāng)時(shí)英特爾必須放棄超高主頻道路,，“背叛”那些唯主頻論消費(fèi)者的期待，并去尋找全新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方向,。而在真正的新品推出前,，一次隆重且幽默的道歉顯然是讓公司擺脫尷尬，同時(shí)為新品吸引關(guān)注的一種巧妙方式,。

當(dāng)然,，現(xiàn)在我們都知道，那時(shí)候以色列的海法團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功重新挖掘出了奔騰3架構(gòu)的潛力,，推出了在移動(dòng)設(shè)備上大放光彩的奔騰M處理器,。于是在基于奔騰M（或者說(shuō)基于奔騰3）進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新后，便很快迎來(lái)了酷睿的時(shí)代,。

在當(dāng)時(shí)那個(gè)年代,，消費(fèi)者的確破除了“主頻迷信”

有意思的是,，不知是英特爾方面從此對(duì)“超高主頻”心有余悸,，還是因?yàn)樾碌募軜?gòu)確實(shí)不擅長(zhǎng)運(yùn)行在太高的頻率下，從2003年的初代奔騰-M（0.9GHz）開(kāi)始,，一直到2013年的酷睿i7-4790K,。在這整整10年的時(shí)間里，英特爾的旗艦CPU主頻一直都低于4GHz,，也就是低于那個(gè)從未發(fā)布的“究極奔騰4”處理器,。

然而會(huì)有朋友因此就認(rèn)為，奔騰M,、酷睿,、酷睿2、或酷睿i時(shí)代的處理器,，在速度上比奔騰4慢嗎,？

Tejas處理器確實(shí)存在，據(jù)說(shuō)它原本會(huì)是7GHz的單核設(shè)計(jì),、功耗高達(dá)250W

很可能并不會(huì)有,，因?yàn)樗械南嚓P(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)都表明，英特爾的新處理器架構(gòu)確實(shí)做到了驚人的效率提升,，它們完全可以用低得多的主頻,，跑出比奔騰4快好幾倍的實(shí)際處理能力。從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，從2003年至2013年,，英特爾始終沒(méi)有超過(guò)4GHz的處理器主頻設(shè)計(jì)反而就成為了一種正面的宣傳,，給消費(fèi)者傳達(dá)了“新架構(gòu)更為高效，因此不再需要超高主頻”的印象,。

然而超高主頻的處理器,，如今似乎又回來(lái)了

正是由于我們?nèi)咨钍祜@段歷史,，所以面對(duì)如今的臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦,，甚至是智能手機(jī)和平板電腦里的CPU,、GPU設(shè)計(jì)，才會(huì)多少感到有些不安,。

正如大家所知的那樣，最近這幾年無(wú)論P(yáng)C,、還是智能手機(jī)上的處理器，性能進(jìn)步得確實(shí)都很快,。

例如在PC上,，非專(zhuān)業(yè)級(jí)的普通家用處理器核心數(shù)從4核,、6核,、8核,，一路暴增到了16核、20核,、24核,，乃至32核,，它們的主頻也從4GHz,、4.2GHz快速提升到了超過(guò)5GHz,，甚至即將超過(guò)6GHz,。特別是在“輕薄型筆記本電腦”上,，三年前4核8線程曾經(jīng)還是高端標(biāo)配，可現(xiàn)在就已經(jīng)變成了14核,、20線程,。

而在智能手機(jī)SoC上，雖然8核的CPU配置多年以來(lái)“雷打不動(dòng)”,，但主頻的快速拉升依然是不可忽視的現(xiàn)實(shí),。雖然2020年我們還曾覺(jué)得超過(guò)3GHz的CPU超大核主頻簡(jiǎn)直不可思議，但到了2023年,，一些SoC的“中核”都已經(jīng)超過(guò)了3GHz的運(yùn)行頻率，甚至還有傳言稱(chēng)下一代的手機(jī)SoC將直接升至3.7GHz的超高主頻,。

即便是在現(xiàn)代的架構(gòu)上,，高主頻同樣也帶來(lái)了高發(fā)熱

那么問(wèn)題就來(lái)了，如此高的主頻,，是否真的讓這些最新的處理器變得更快了呢,？老實(shí)說(shuō),，這個(gè)問(wèn)題其實(shí)需要分不同的層面來(lái)看待。

首先,，如果只看跑分,，或者是只看滿負(fù)載、且散熱良好前提下的極限性能,，那么現(xiàn)代這些主頻更高的CPU設(shè)計(jì),，確實(shí)可以提供更高的極限性能。

但在這個(gè)基礎(chǔ)上想必許多朋友可能已經(jīng)注意到,，這些新款CPU的功耗,、發(fā)熱在客觀上其實(shí)也越來(lái)越厲害。事實(shí)上,，無(wú)論是如今那些120W（峰值功耗）的移動(dòng)CPU,，還是254W（典型TDP）的桌面CPU，它們都比當(dāng)年最熱,、最耗電的奔騰4（也才90W出頭）更熱,、更耗電了。

更不要說(shuō)在智能手機(jī)里,，現(xiàn)在旗艦機(jī)型VC均熱板的設(shè)計(jì)已經(jīng)越來(lái)越復(fù)雜,、電池容量和快充功率也做越做越大。這些實(shí)際上都表明,，如今的SoC在性能顯著升高之余,，其實(shí)很難說(shuō)沒(méi)有以更高的峰值功耗來(lái)作為代價(jià)。

真的需要越來(lái)越高的處理器頻率嗎

請(qǐng)注意,，我們一直在強(qiáng)調(diào)“峰值功耗”這個(gè)概念,。因?yàn)榈搅说湫褪褂脠?chǎng)景里，這些最新架構(gòu),、主頻更高的CPU,，大概率其實(shí)是跑不到它們那個(gè)高發(fā)熱、高功耗的最高主頻上的,。

特別是在筆記本電腦和智能手機(jī)里,，廠商們?yōu)榱烁玫木C合表現(xiàn)，往往都會(huì)刻意通過(guò)調(diào)度策略,，讓CPU在大多數(shù)時(shí)間都恰好只運(yùn)行在它們能效比最高的一段主頻范圍上,。

更有趣的是，那些總體性能更高的CPU反而大多采用低主頻,、大緩存,、超多核設(shè)計(jì)

但是這樣一來(lái)，一個(gè)問(wèn)題自然也就產(chǎn)生了,，既然更高的主頻還是會(huì)大幅增加功耗,，那么廠商們?yōu)槭裁床桓纱喾艞壍裟遣糠謺?huì)導(dǎo)致功耗猛漲的頻率范圍,，只讓CPU運(yùn)行在一個(gè)能效比始終最佳的主頻上。就像十多年前那樣,，大膽放棄對(duì)“高主頻”的追求,，而單純將半導(dǎo)體技術(shù)所帶來(lái)的增益，用于更高效的架構(gòu),、更大的緩存呢,？