为什么主流CPU频率停止在4G？我们达到了频率上限了吗？

回顾2004年，英特尔雄心勃勃，宣布以Prescott的超长流水线命名的奔腾4将发布4GHz CPU，但最终结果是由于各种原因它停在3.8GHz。在那之后，主要频率没有提高并回落，直到代号为Haswell的核心第四代（4790K）真正不在4GHz上，并且继任者Broadwell，Skylake，Kabylake和Coffeelake变得对提高频率无效。十多年过去了，为什么CPU频率不能继续增加？发生了什么？我们达到了频率上限了吗？

通过上一篇文章（CPU制造的第二部分：管芯尺寸和良率），我们知道，如果要提高CPU的计算性能，我们不能简单地堆叠内核。那么，您可以简单地增加CPU频率，以便CPU的每个内核可以更快地计算结果吗？为什么拥有最佳CPU技术的英特尔不再勇敢地攀升时钟速度的峰值？实际上，主要瓶颈在于散热。让我们仔细看看原因。

为什么CPU变热

从拥有1.4亿个FET的Pentium 4到拥有80亿多个FET的Kabylake，英特尔都按照摩尔定律忠实地增加了晶体管的数量。如此多的FET每次翻转都会消耗能量。 FET的简单如下：

当输入低电平CL充电时，我们假定电能的焦耳存储在电容器中。当输入变为高电平时，电能被释放，并且焦耳的能量被释放。因为CL很小，所以这个a也很小，几乎可以忽略不计。但是，如果我们以1GHz的频率翻转此FET，则能耗为×10 ^ 9，这是不容忽视的。另外，CPU中有数十亿个FET，因此能耗变得相当可观。

能耗与频率之间的关系

从图中，也许您可​​以直观地看到能耗和频率呈正相关。这种理解是正确的。实际上，能量消耗与频率成线性关系。能耗关系的公示是（参考资料2)：

P代表能耗。 C可以简单地认为是一个常数，它由制造过程等因素决定； V代表电压； f是频率。理想情况下，如果频率增加一倍，则能耗将增加一倍。看起来不是很严重，是吗？但是实际情况并非如此简单。

我们在这里介绍门延迟的概念。简而言之，对构成CPU的FET进行充电和放电需要一定的时间。这是门延迟。只有完成充电和放电后才能进行采样，才能确保信号的完整性。充电和放电时间与电压负相关，即，如果电压高，则充电和放电时间短。它也与过程成正相关，即过程越小，充电和放电时间越短。让我们删除该过程的干扰因素。当我们继续增加频率f时，在某个节点之后，太快的翻转将导致门延迟无法跟上，这将影响数字信号的完整性并引起错误。这也是超频在特定阶段不稳定和随机错误的原因。那么该怎么办？聪明的您可能想到了超频的一种常用方法：压力。顺便说一下，可以通过增加电压来减少栅极延迟，并且可以使系统再次稳定。

让我们回头再看一下公式，您会发现电压和功耗不是线性相关的，而是平方的！乘以f，情况就更糟了。我们增加频率，同时必须增加电压，导致P！大幅增加！让我们回想一下初中学习的y = x ^ 3的函数图：

在早期阶段缓慢增长之后，Y将在a点开始急剧上升。这是一个转折点，之后将不绘制。功耗和频率之间的关系大致相同。让我们看两个实际的例子：

i7-2600K频率与功耗之间的关系

Exynos频率与功耗之间的关系

在ARM和X86阵营中，它们的能耗曲线是否类似于幂函数图？

其他不容忽视的因素

现实要复杂得多。实际上，上式中的P只是动态能耗。 CPU的整体功耗还包括短路功耗和泄漏功耗：

短路功耗是FET翻转时，在很短的时间内电子将直接逸出。与电压和频率成正比。

泄漏功率是电子穿透MOSFET的泄漏，与过程和温度有关。

结合这些，让我们看一个实际的例子：

这里的转换功率是动态能耗。可以看出，它随频率急剧上升。短路功耗和频率几乎是线性的；静态功耗是指泄漏功率的消耗，并且由于温度升高Rise而增加，从而增加了泄漏。

我们在这里介绍热密度的概念，即每单位面积散发的热量。从该图可以看出，随着频率的增加，各种因素的综合叠加导致功耗的严重增加，而芯片尺寸保持不变，因此热密度迅速增加。现有的散热设备无法在短时间内释放出如此多的热量。它将导致崩溃和其他现象（CPU风扇停止运转时会发生什么？为什么CPU烧坏）。这也是超频经常需要好的散热设备的原因（手动超频之一：升级散热系统）。

脑孔

最后让我们绞尽脑汁：假设没有散热问题，没有门延迟，在理想情况下，频率是否有上限？这是一个非常有趣的想法。每个人都知道电信号在电线中的传播速度非常快，接近光速。在这里，我们以光速：每秒300,000公里。我相信每个对相对论有所了解的人都知道光速是物理的极限。我们将不在这里讨论科幻小说。因为没有门延迟，所以电信号以光速传播。光速，这个数字非常大，但是我们的频率以G为单位，即10 ^ 9，这也非常大。在1GHz的情况下，电信号只能传播30cm！不管相距多远，都会有相位差。在10GHz时，它可以传播3cm。晶圆尺寸为300mm。如果我们将CPU芯片做得和它一样大，也许最高频率只有1GHz。现在CPU的裸片尺寸几乎为1cm，因此从理论上讲30GHz是极限频率！

（这里超级简化了许多条件，就像脑洞一样。有关从物理极限探索CPU的文章，请参见参考文献5）

结论

没有强大散热能力的超频会缩短CPU的寿命。受益于液氮冷却，在极端玩家的帮助下，CPU频率只能挑战9GHz。对于我们的日常计算机用户来说，这是非常遥远的。在可预见的将来，由于热密度，CPU频率将不会显着增加，我们可能永远不会看到10GHz的硅基CPU。也许只有在放弃芯片或转向量子计算之后，CPU频率才会发生巨大变化。

单纯追求高时钟速度将导致功耗急剧增加，这在经济上并不具有成本效益。现在，CPU制造商早就放弃了对高时钟速度的纯粹追求，而是提高了每瓦性能。实际上，当前的CoffeeLake 3.8G CPU的效率是奔腾4的3.8G的十倍以上，但是功耗却大大降低了！这全部归功于改进的体系结构。在汲取了奔腾4的经验教训之后，奔腾4是基于netburst的深度管道来增加主频率，但被人们誉为“高频和低能耗”，这也是英特尔和其他芯片制造商努力的方向。

最后推荐两个好的CPU，每个用于Intel和AMD：

后记

对本文的反馈非常好，我将继续写一些CPU设计中的问题和解决方案。例如，与Pentium 4的netburst相比，Core系列在体系结构方面进行了哪些改进，缓存一致性问题等等。我希望每个人都可以关注并喜欢它！

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参考资料：

[1] / blogs / havent-cpu-clock-speeds-lasted-last-years /

[2] CPU功耗

[3] CPU可以多小？

[4]三星Exynos 7420深入探究-在现代14nm SoC-廉价PC硬件内部新闻与谣言

[5] / pdf / quant-ph / 990804 3.pdf

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