能不能简单提高CPU主频，让CPU内核更快的算出结果

主要原因在于散热。主频率增大到一定范围后，热量密度迅速增大，不经济，散热困难。

回顾2004年，Intel雄心勃勃，宣布被称为Prescott超长管线的Pentium 4将发布4GHz CPU，但最终结果由于各种原因它停在3. 8GHz。后来，直到代号为Haswell的核心第4代（4790K）真正没有达到4GHz的频率，主频率才开始前进和后退。 Broadwell，Skylake，Kabylake和Coffeelake的后继者在增加频率方面变得无效。十多年来，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：管芯尺寸和成品率），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，英特尔已经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，我们假设电容器中存储着一焦耳的电能。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非常小，所以这个a也很小，几乎可以忽略不计。但是，如果我们以1GHz的频率翻转该FET，则能耗为×10 ^ 9，这是不容忽视的。另外，CPU中有数十亿个FET，能耗也变得相当可观。

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，能量消耗和频率是线性相关的。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。

我们将在此处介绍门延迟的概念。简而言之，对构成CPU的FET进行充电和放电需要一定的时间，这就是门延迟。只有完成充电和放电后的采样才能确保信号的完整性。并且该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。这也与制造过程成正相关，即，制造过程越小，则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控延迟无法跟上，这将影响数字信号的完整性并引起错误。这也是超频将变得不稳定并在特定阶段产生随机错误的原因。那么该怎么办？聪明的您可能想到了超频的一种常用方法：增压。顺便说一句，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。我们增加了频率，但同时必须增加电压，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，在那之后将是不值得的。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能耗与频率之间的关系

Exynos频率与能耗之间的关系

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

现实比这更复杂。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。

泄漏功耗是电子渗透到MOSFET的泄漏，与工艺和温度有关。

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；静态功率是指泄漏功率的消耗，并且由于频率的升高而温度升高，因此也会增加。上升，从而增加泄漏。

在这里，我们介绍热密度的概念，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。现有的散热设备会导致崩溃和其他现象（CPU风扇停止运转后会发生什么？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：升级冷却系统）。

脑孔

让我们最后想一想：假设没有散热问题，没有门延迟，在理想的情况下，频率是否有上限？这是一个非常有趣的想法。众所周知，电线中电信号的传播速度非常快，接近光速。在这里，我们以光速：300,000公里/秒。我相信，每个对相对性知识不多的人都知道，光速是物理学的极限，在此我们不再讨论科幻小说。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！在10GHz时，它可以传播3厘米。晶圆尺寸为300mm，如果我们将CPU做成与之相同的尺寸，则最高频率可能仅为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，就像一个脑洞。有关从物理极限探索CPU的文章，请参见参考文献5）

结论

受益于液氮制冷，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。也许只有在放弃硅或切换到量子计算之后，CPU频率才会发生巨大变化。

这并不意味着CPU性能停滞。实际上，当前的CoffeeLake 3. 8G CPU比奔腾4的3. 8G快十倍以上。基准运行效率降低了十倍以上，但功耗却相反。掉很多！这全都归功于架构的改进。在基于netburst的深度管线以增加主频率的Pentium 4上的经验教训之后，却被人们誉为Pentium 4的高频率和低能耗，这也是Intel和其他芯片制造商的方向。

后记

本文已编译并发表在“为什么CPU频率在4G处停止”？我们达到了频率上限了吗？

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参考资料：

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

[2] CPU功耗

[3] CPU可以多小？

[4]三星Exynos 7420深潜-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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