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在日常装机中，大家挑选处理器处理器的时候，无非是先看看这块处理器有多少个物理核心，是否支持超线程技术，以intel为例就决定了你选择i7、i5还是i3系列；再细分一些就需要考虑处理器频率高低问题，处理器频率就直接决定选择的具体型号。那么我们平常总会说这款intel Core i3-8350k默频是4GHz，这个AMD锐龙3 1300X默频为3.5GHz，那么这个处理器频率真的就是处理器的运行速度了吗？它是由什么来决定呢？
讲了这么多年的处理器频率到底是什么？（图1） 频率的概念 在处理器这个复杂的数字系统中，为了确保内部所有硬件单元能够协同快速工作，处理器架构工程师们往往会规划一套时钟信号与系统同步进行操作。时钟信号是由一系列的脉冲信号构成，并且总是按一定电压幅度、时间间隔连续发出的方波信号，它周期性地在0与1之间往复变化。如下图所示。
讲了这么多年的处理器频率到底是什么？（图2） 处理器主频 以Intel Core i3-8350k为例它的默频是4GHz，意味着它内部时钟频率为4GHz，一秒钟可以产生40亿个脉冲信号，换句话说每一个脉冲信号仅仅用时0.25ns（时钟周期）。这是多么令人震惊的时钟，可以想象到处理器内部结构是多么精妙，可以处理如此之短的信号，整套系统协同有序地运行，所以才会说处理器是全人类智慧的结晶，极大地提升了我们的科技水平进步。 时钟周期作为处理器操作的最小时间单位，内部的所有操作都是以这个时钟周期作为基准。一般来说处理器都是以时钟脉冲的上升沿作为执行指令的基准，频率越高，处理器执行的指令数越多，工作速度越快。 那么处理器频率是由什么决定的呢？其实这个是一个非常复杂的问题，因为决定这个频率是一个系统学的东西，影响到频率高度的原因非常之多，诸如处理器的架构、流水线规划、内部寄存器规划、支持的指令甚至是功耗、温度这些物理原因，所以说处理器频率就是综合多种考虑，以木桶效应下的最小值作为处理器的最高频率。
讲了这么多年的处理器频率到底是什么？（图3） 而拥有Turbo Boost技术的处理器每一个核心都有自己的PLL（Phase Locked Loop，锁相环）电路，这样每个核心的电压和频率都可以独立控制，为此Intel专门在处理器内部规划了PCU（Power Control Unit，功耗控制）单元，PCU会以1ms（每秒1000次）的速度实时监测这四个核心的温度、电流及功耗等参数，因此又有Turbo Boost频率可以根据负载需要调整处理器的频率。同时由于参与到运算的核心数越多，控制起来就更为复杂，所以一般核心数目越多，能达到最高频率越低。 外频 处理器在诞生后不久，各大处理器巨头为了追求高性能，开启了频率大战（有没有效果这个我们先不提），但是这样一来，处理器虽然跑得更换了（主频更高），但是外部的主板芯片组、内存、外部接口（PCIe、Sata）可还是处于旧有标准，而且这些设备的运行频率早就固定下来了，并且远低于处理器工作频率。 这样一来处理器就无法很好与之交流，Intel就机智地提出了倍频的概念（下面讲述），并且提出了影响至今的一个处理器主频计算公式：主频=外频 X 倍频，外频的提出可以让主板外部的设备工作在较低的频率下，并且还能正确地处理器进行交流。 但总是有很多网友将前端总线频率和外频混为一谈，其实他们不太一样。在以前有北桥的时代，前端总线是处理器总线接口单元和北桥芯片之间的数据交换通道，曾经在AMD雷鸟系列、Intel奔腾 4处理器以前，前端总线与外频是一致的，但后来有了四倍数据传输率技术或者是八倍数据传输率技术，前端总线频率就极大地提升了。 举个例子，如果一个处理器的频率是2GHz，外频为100MHz，运用四倍数据传输率技术时，前端总线频率就变成400MHz；如果是八倍，那么就是800MHz。前端总线频率越大, 代表着处理器与北桥芯片之间的数据传输能力越大, 更能充分发挥出处理器的功能。现在处理器的默认外频基本上都是100MHz。
讲了这么多年的处理器频率到底是什么？（图4） 倍频 现在的处理器规划的外频都相当低，只有100MHz，处理器要获得更快运算速度，我们就需要获得一个超高速的频率来支撑更快运算速度。而处理器通常就是在内部规划有一个锁相环频率发生器，对于输入的时钟信号进行分频处理，按照一定比例提升输入的外频频率，从而得到处理器的实际工作频率，这个比例就称之为倍频系数（简称倍频）。利用倍频技术, 较为完美地搞定了处理器和内存等数据中转站的异步运行问题。为处理器后来向更高频率方向发展打下了扎实的基础。 超频 超频作为经久不衰的话题，一直都是PC DIY界中的常青树，一般是指强迫设备运行在高于其默认频率的主频以获得更高的性能，诸如处理器、显卡、内存等都可以超频, 其中以处理器为最为流行，可以在最大程度压榨处理器的性能，提升产品的性价比。而Intel、AMD一直将处理器可超频作为一大卖点宣传，那么我们超 频超的是哪个频率？ 根据处理器主频计算公式：主频=外频 X 倍频，我们无非就是超外频、倍频。其实在不一样时代，超得的是不一样的频。在Pentium MMX时，Intel为了让处理器稳定工作，在主板BIOS中锁定了倍频， 不能随意更改倍频，那时候的我们只能从提升外频着手，一些旧式主板可通过设置主板上的跳线来变更计算机系统的外频（还记得跳线怎么插吗？），而在后期的主板BIOS中一般都会有SoftMenu技术，我们只需要在BIOS界面中动动手指头，调整外频频率就可以顺利提升处理器的主频。 而现在大家为了创造更高的主频，一般都是选择超倍频，因为超倍频提升幅度远比外频要高，而且来得容易。同样只需要在主板BIOS上调整倍频即可，现在很多主板都自带一键超频功能，主板厂商都BIOS中帮你调整好超频参数，只需要一键点击皆可以超倍频。 在相同的外频下, 倍频越高 处理器的主频也越高。但实际上，处理器倍频太高了，但是处理器与系统其他设备传输速度还是一样，之间的数据交换有限，造成了高主频的处理器就会出现显著的“瓶颈”效应-----处理器 从系统中得到的数 据的极限速度不能满足 处理器运算的速度。因此有时候为了满足外部传输需要，我们要适当超外频。
讲了这么多年的处理器频率到底是什么？（图5）
讲了这么多年的处理器频率到底是什么？（图6） 但有时候处理器体质不佳（内部晶体管在制造的时候存在某些缺陷、瑕疵），导致超频困难，需要对处理器核心施加更高的工作电压，以我们拿到的地雷级intel Core i3-8350K为例，为了上5GHz频率，电压已经加到1.5V（默认1.34V），而之前的Core i7-7700K分分钟上5GHz。 那为什么我们现在处理器频率基本还停留在4GH平台呢？ 处理器处理器中有一条金科玉律，那就大名鼎鼎的摩尔定律，它阐述了晶体管数目与性能提升的关系，之于它究竟是还活着，还是像死了般活着还很难说。但是我们今天要讲的是另一条不太出名的定律——登纳德缩放比例（Dennard Scaling）。 1974年内存之父罗伯特登纳德在其论文中表示，晶体管面积的缩小使得其所消耗的电压以及电流会以差不多相同的比例缩小，这个就是登纳德缩放比例定律。很多人摸不着头脑，这个和处理器频率提升有半毛钱关系吗？ 确实密切相关。我们先了解晶体管功耗是如何计算的，静态功耗的就是常规的电压乘以电流，W=V x I。而晶体管在做 1和 0的相互转换时会根据转换频率的高低产生动态功耗，W=V2x F。显然，频率越高，功耗就越大，但我们在此后的30年都没有放弃做频率更高的处理器呢？ 答案是以为我们的半导体工艺一直在进步，现在甚至已经做到了10nm，7nm量产在即。根据登纳德缩放比例，工艺的提升，可以让晶体管们做的更小，导通电压更低，显然就弥补了频率提升带来功耗增加问题。但是我们的工艺并不是无休止境地提升，很快就会进入了一个长期的技术平台期，7nm以后路将会十分艰辛。 而且晶体管尺寸缩小以后，静态功耗不减反增，带来了很大的热能转换，加之晶体管之间的积热十分严重，让处理器散热问题成为亟待搞定的问题。散热做不好，处理器寿命大大下降，而且现在普遍存在的动态频率技术，过热会让处理器处于最低工作频率，高频只是个装饰、是个笑话。单纯提升处理器时钟频率因为随之而来的散热问题而变得不再现实，毕竟我们不会无时无刻地运用液氮为处理器降温，所以Intel、AMD都很识趣地停止了高频芯片的研究，转而向低频多核的架构开始研究。
讲了这么多年的处理器频率到底是什么？（图7）
讲了这么多年的处理器频率到底是什么？（图8） |
