為什么CPU不能做一個超強(qiáng)單核

CPU的的單核性能有多重要，這個不用再重復(fù)了，但是CPU的單核性能可以無限增加下去嗎？回答這個問題之前，先說一個小故事吧。

很多年前VIA威盛還可以跟英特爾硬剛，那時候是Pentium 4時代，英特爾在CPU頻率不斷突破1GHz、2GHz、3GHz之后要做更高頻率的CPU，放言稱奔4頻率上4GHz，后來就有了英特爾前任CEO巴瑞特下跪的一幕，因?yàn)橛⑻貭栐诒?時代并沒有如承諾的那樣推出4GHz高頻的產(chǎn)品。

但是很多人不知道的是，4GHz并不是英特爾當(dāng)時的最終目標(biāo)，2001年的IDF會議上英特爾曾經(jīng)表示奔4處理器可以上10GHz頻率。如今18年過去了，這個目標(biāo)一直都沒實(shí)現(xiàn)，（硅基時代）可能永遠(yuǎn)都無法實(shí)現(xiàn)了。

這件事就能說明CPU頻率不是想提升就提升的，奔4時代過去這么多年了，其實(shí)CPU的主流頻率依然在4GHz左右，英特爾雖然在酷睿i7-8086K上首次實(shí)現(xiàn)官方5GHz頻率，但絕大多數(shù)處理器日常使用的頻率都沒這么高，高負(fù)載下頻率在4GHz出頭就不錯了。

制約單核性能超強(qiáng)的CPU出現(xiàn)的第一個問題就是頻率無法大幅提升，而這個因素也跟現(xiàn)在的制程工藝有關(guān)，實(shí)質(zhì)上是摩爾定律已經(jīng)失效了，這個影響了半導(dǎo)體行業(yè)50年的金科玉律隨著硅基芯片物理極限的到來已經(jīng)失效了，從28nm節(jié)點(diǎn)之后其實(shí)就沒有帶來很大的性能改進(jìn)了，而且功耗問題也越來越嚴(yán)重。

大家都知道理論上制程工藝越先進(jìn)（制程數(shù)字越?。珻PU性能會更高，功耗、發(fā)熱會更低，但是實(shí)際上這個問題很復(fù)雜，CPU的功耗可以分為靜態(tài)功耗（Static Power）及動態(tài)功耗（Dynamic Power），前者主要是漏電流引起的，制程越先進(jìn)，漏電流又有增加的趨勢，而動態(tài)功耗可以用1/2*CV2F這個公式來計(jì)算，F(xiàn)頻率越高，動態(tài)功耗就越高。

為了上更高的頻率，電壓增加不可避免，但電壓高了功耗也高了，總之靜態(tài)功耗、動態(tài)功耗的存在就決定了CPU頻率越高，功耗就會極速增加，將會嚴(yán)重影響處理器的性能表現(xiàn)，因?yàn)橐殿l。

說到這一點(diǎn)，英特爾的14nm工藝雖然被人調(diào)侃擠牙膏，但從技術(shù)上來說真的很牛了，從Skylake架構(gòu)的第一代14nm到現(xiàn)在Coffee Lake的14nm++工藝，性能提升26%，或者功耗降低52%，在不改變基本結(jié)構(gòu)的情況下這個成績很難得。

制程工藝的放緩導(dǎo)致CPU頻率不可能大幅提升，有很多人會想到那么有沒有非常牛的CPU架構(gòu)讓IPC性能大幅提升呢？理論上這種思路是可以的，但是現(xiàn)實(shí)很殘酷，CPU架構(gòu)還是要服從半導(dǎo)體工藝物理定律的，沒有先進(jìn)的工藝，再好的CPU架構(gòu)也不可能實(shí)現(xiàn)。

此外，即便不考慮工藝對CPU架構(gòu)的影響，單純說CPU架構(gòu)的話，不論是X86還是ARM架構(gòu)，在64位時代CPU單元不外乎就是ALU單元、緩存、I/O等子單元， 但是不論提升那部分單元，歸根到底還是要算到晶體管數(shù)量上來，還要考慮提升導(dǎo)致的成本——這個成本不只是錢的問題，比如提升L1/L2/L3緩存可以提高性能，但是緩存占用的核心面積很大，而且還有命中率及命中懲罰的問題，不是隨便加加單元就行的。

此外，CPU的內(nèi)部還可以分為整數(shù)部分、浮點(diǎn)部分，前者對日常使用很重要，浮點(diǎn)性能對計(jì)算更重要，但CPU的浮點(diǎn)性能并不是日常所需的，所以大家普遍感覺不到這部分的提升。

公平地說，近年來CPU浮點(diǎn)單元的進(jìn)步是符合題目所說的單核超強(qiáng)的要求的，因?yàn)閺腟SE到AVX到AVX2再到最新的AVX-512，CPU浮點(diǎn)性能是有大幅提升的。如英特爾所說：“借助多達(dá)兩個512位融合乘加 （FMA） 單元，應(yīng)用程序在512位矢量內(nèi)的每個時鐘周期每秒可打包32次雙精度和64次單精度浮點(diǎn)運(yùn)算，以及八個64位和十六個32位整數(shù)。因此，與英特爾高級矢量擴(kuò)展 2.0（英特爾 AVX2）相比，數(shù)據(jù)寄存器的寬度、數(shù)量以及FMA單元的寬度都增加了一倍?！?/p>

但是前面也說了，CPU的浮點(diǎn)性能不是日常所需的，整數(shù)性能更加重要一些，但是整數(shù)單元性能提升就沒這么明顯了，導(dǎo)致很多人以為CPU架構(gòu)多年來擠牙膏。