制作:王智豪(中科院長春光機所)
監制:中國科學院計算機網絡信息中心
中央處理器,簡稱CPU,是現在電子計算機的核心元件,也是信息時代最主要的器件之一。
從小的方面說,我們每天使用手機軟件,以及在電腦上寫方案、敲代碼、制作PPT等所有計算機軟件的計算,都需要CPU的計算;
從大的方面講,航天飛船的制造需要CPU進行前期建模工作;發射時間、軌道、天氣預測、燃料都需要CPU的模擬計算;發射后的實時追蹤、內部調度及處理應急問題也都需要CPU精準的計算。
如天問號、祝融號、月兔號探測器,從著陸、巡視再到傳回原始數據幾乎都需要CPU運行機器進行自主操作。
可以說,21世紀,CPU在生活、工作及科學等方方面面都發揮了重要作用。
CPU(veer圖庫)
CPU的功能主要是處理計算機軟件的數據,將人類的命令轉化為機器語言,并對其他計算機中的設備,如內存、顯卡、主板等提出命令。在整臺計算系統中,它扮演“老板”的角色。
更形象地說,CPU就是人類的大腦,一切信息都需要它的參與或思考。
組成CPU的三大部門
CPU由三部分組成:運算器、控制器與寄存器。
運算器主要是負責執行任務,可以理解為“打工人”,它的任務是負責直接計算相關數據;
控制器類似于“領導”,任務就是針對不同的需要,給“員工”下達不同的命令;
寄存器則可以理解為控制器和運算器之間聯絡的小組,也可以理解成“秘書”,它的主要工作是協調控制器和運算器。
寄存器這個“部門”的事情非常繁瑣,控制器會讓它給運算器下達命令,運算器運算的數據太多,也會讓寄存器暫時先寄存一部分。所以,當數據過多時候,寄存器忙不過來就只能暫時招收一些“臨時工”——高速緩存。
在寄存器完成不了工作時候,就調用高速緩存來存儲數據。當然臨時工也會有等級:一級緩存、二級緩存和三級緩存。如果三緩也耗盡,那就交給CPU外的內存來緩存。
但是,如果內存也不夠了怎么辦呢?這時候,你的電腦就開始卡頓了,建議換一臺電腦(狗頭)。
CPU原理圖(圖片來源:作者自制)
在這個龐大的部門中,當然要制定相關的行為規范,讓控制器能按照規則來下達命令。這一行為規范就是指令集。
不同設備的指令集可能會不一樣。例如,我們的計算機用的就是復雜指令集x86,而手機處理器的指令集就是精簡指令集ARM。這兩種指令集最大的區別,就在于設計者考慮問題的方式。
舉個簡單的例子,比如命令一個人吃飯,我們應該怎么發布指令呢?
1、直接對他下達“吃飯”的命令。
2、命令他“先拿勺子,然后舀起一勺飯,然后張嘴,然后送到嘴里,最后咽下去”。
從這里可以看到,對于“命令人吃飯”這件事,可以復雜也可以簡單。而如何訓練那個人,則出現不同的理解。
有人認為,如果我首先給接受命令的人以足夠的訓練,讓他掌握各種復雜技能(即在硬件中實現對應的復雜功能),那么以后就可以用非常簡單的命令讓他去做很復雜的事情——比如只要說一句“吃飯”,他就會吃飯,這就是“復雜指令集”的思路。
但是也有人認為這樣會讓事情變得太復雜,畢竟接受命令的人要做的事情很復雜,如果你這時候想讓他吃菜,那還得再訓練吃菜的技能。既然如此,我們為什么不把事情分為許多非常基本的步驟呢?
這樣的話,雖然下達命令的人稍微累一點,但只需要接受命令的人懂得很少的基本技能,就可以完成同樣的工作——比如現在我要他吃菜,只需要把剛剛吃飯命令里的“舀起一勺飯”改成“舀起一勺菜”,問題就解決了,多么簡單。這就“精簡指令集”的邏輯。
從利用這兩種指令集的設備,我們就可以看出指令集的區別了。
首先是性能。ARM強在效率,在一些任務相對固定的應用場合,其優勢就能發揮得淋漓盡致。而x86則在專業軟件或者綜合性工作方面,依然是“大哥”。
其次是擴展能力。手機方面,可能直到淘汰產品,我們都不會自行加裝例如內存、存儲等擴展設備,奉行的原則是夠用就好。而計算機可以通過橋接方式擴展許多設備。
最后是功耗,X86的計算機性能強,但是功耗一直居高不下,隨著摩爾定理逐漸失效,現在性能提高都是建立在功耗的基礎上,動不動幾百瓦的功率,是國家電網“長期戰略合作伙伴”。ARM方的手機則大概只有幾瓦的功耗,因此它更適于便攜化與移動化。
至于與我們日常交互,也是開機就能看到的桌面則是操作系統,你可以理解為一種特殊的軟件,主要發揮性能調度、管理文件、為上層軟件提供服務與可視化操作的作用。
如何制作CPU
介紹完CPU,那你肯定想知道,這么復雜的元件需要如何制作呢?制作CPU的復雜程度將超乎你想象。
準備好了嗎,接下來,筆者將帶大家進入原子的世界,一個肉眼無法看到的世界。
制作CPU第一步是設計電路圖,眾所周知,CPU是超大規模的集成電路,合理的電路分布則是重中之重。因此,會由來自全球各地設計中心的專家合作設計CPU的晶圓電路,完成物理掩模板整體芯片設計。
下一步是制作硅晶。硅晶的原料就是沙子,經過一系列復雜的提純會將沙子變成純度高達99.9999%的單晶硅棒,再切成光滑的小薄片,晶圓就制作完成了,它上面將會刻蝕出集成電路。
雜質會對CPU質量造成嚴重的影響,因此制作晶圓的環境比手術室還要干凈十萬倍。
△原料及單晶硅棒(圖片來源:https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/silicon-innovations/22nm-technology-how-transistors-are-made-video.html?wapkw=The%20Making%20of%20a%20Chip%20%E2%80%93%20Intel)
接著我們就要在晶圓上刻上設計好的電路,用什么刻呢?普通刻刀遠遠達不到那樣的精度,聰明的科學家想到了世界上最精細的刻刀——光。
在晶圓上均勻涂覆光刻膠,然后用紫外光將掩膜上的電路結構印在晶圓上,曝光的部分具有可溶性,可以被洗掉。再將晶圓表面未受保護的部分刻蝕掉,指甲蓋大小的晶圓上就被刻上數十億個晶體管。
△涂覆光刻膠及光刻過程(圖片來源:The Making of a 22nm Chip,https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/silicon-innovations/22nm-technology-how-transistors-are-made-video.html?wapkw=The%20Making%20of%20a%20Chip%20%E2%80%93%20Intel)
只有晶體管還是不夠的,不同晶體管要具備不同的功能,這就需要下一步離子注入過程來給晶體管施加不同的電性。
這里會用到硅這種具有獨特性質的半導體。硅的導電性可由精確控制植入的物質而改變。
具體過程為,首先將被摻雜的原子注入到硅晶格中。這些原子在晶格中不均勻分布,但在高溫下,摻雜的原子在晶格中變成了均勻分布。
△檢查與摻雜(圖片來源:https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/silicon-innovations/22nm-technology-how-transistors-are-made-video.html?wapkw=The%20Making%20of%20a%20Chip%20%E2%80%93%20Intel)
銅是下一道程序的重點,精密的銅線將許多晶體管連接起來形成各種電路并發揮各種功能。
但在這一過程中,清洗必不可少,因為環境中的微粒或者雜質潛伏在制造過程中的每一階段。先在晶圓上鍍一層阻擋膜,這有助于防止短路并能保證電路的可靠性。然后再將銅填入溝槽,打磨平整。通過這種方法能在芯片上雕刻出長達數公里的線路。
下圖就是芯片中密密麻麻的銅線路的模擬圖。
△鍍膜與銅線路模擬圖(圖片來源:https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/silicon-innovations/22nm-technology-how-transistors-are-made-video.html?wapkw=The%20Making%20of%20a%20Chip%20%E2%80%93%20Intel)
最后一步就是封裝了,將滿足封裝要求的芯片打磨過后,用最精細的切割器將制作好的CPU從晶圓上切割下來,貼片焊線,封膠密封。經過測試分選后就能經由各芯片廠進入市場,再送入消費者的手中了。
△封裝(圖片來源:https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/silicon-innovations/22nm-technology-how-transistors-are-made-video.html?wapkw=The%20Making%20of%20a%20Chip%20%E2%80%93%20Intel)
以上筆者介紹的只是最粗淺的CPU制作過程,中間需要用到的技術難度是普通人難以想象的,因此,CPU真無愧于人類歷史上最精密的元器件。
我國半導體行業任重而道遠,盡管離美國芯片水平至少有十年的差距,但并不是無法趕上的。國產的存儲芯片已經進入消費級市場,幾乎可以達到世界平均水平,隨之帶來的好處就是消費者市場的存儲芯片價格直線下降與我國的經濟收入的提高。
現在的中國,CPU企業已如雨后春筍一般浮現,正向世界展示中國制造的活力。
CPU模擬圖(圖片來源:Veer圖庫)
參考文獻:
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今天來給大家簡單科普一下CPU的相關知識吧。首先,CPU是做什么的?
CPU簡介(摘自百度百科)中央處理器(CPU),是電子計算機的主要設備之一,電腦中的核心配件,其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。在計算機體系結構中,CPU 是對計算機的所有硬件資源(如存儲器、輸入輸出單元) 進行控制調配、執行通用運算的核心硬件單元,是計算機的運算和控制核心。
簡單來說,我們操作電腦,就相當于給電腦出了一道又一道的“題目”,而CPU就負責“解題”——是不是和我們的大腦功能很相似呢?
因此,在電腦(尤其是DIY臺式機)的選購中,選好一款合適的CPU是非常重要的。CPU如何命名?CPU的命名有什么玄機?相信你看了下面一段就能明白。
CPU叫這些名字
目前PC界有兩家主要的CPU廠商,分別是“藍廠”——Intel:
和“紅廠”——AMD:
先看看CPU“姓”什么吧。下圖展示這兩家近幾年的產品系列,一些太古老的就不列入其中了:
現階段電腦的CPU主要采用酷睿和銳龍的CPU,別的系列用的不多,像至強E3、A系列APU,FX“農機系列”現在都已經“停更”了。
試一試
找出下圖中配置單和筆記本電腦配置表中的CPU:
答案如下:
這些都是CPU!相信以后看到一臺電腦的配置表,你可以第一時間找到CPU型號了。
了解完CPU“姓”什么之后,我們需要進一步了解它的“全名”。CPU的全名由以下幾個部分組成:
PS:Intel的移動端CPU會用不同數字代表不同的功耗,比如i5-1135G7就代表TDP=12-28W,而i5-1130G7就代表TDP=7-15W。
看到這里,相信CPU的名字對于你來說,不是什么“謎語”了。
CPU后綴的學問
由于CPU的后綴相當復雜,所以這里獨立用一節來解釋。先看桌面端CPU(臺式機)的吧:
AMD和Intel桌面端后綴的最大區別,就是Intel家沒有后綴的CPU不能超頻,只有帶K的和帶X/XE的可以超;而AMD銳龍和線程撕裂者系列,無論什么后綴,全系列支持超頻。
再來看看移動端CPU(筆記本電腦)的后綴吧:
移動端CPU的后綴比較復雜,尤其是Intel的。Intel在10代和11代低壓酷睿采用了一種全新的命名方式——即用不同的定位名區分不同功耗的CPU,而后綴則用來區分核顯,比如i5-1035G7,核顯性能強于i5-1035G4。
隨著CPU性能的發展和輕薄本散熱性能的提高,“低壓”和“標壓”的鴻溝逐漸模糊,買筆記本的時候更應該關注能“跑到多少W”,而不是“標壓/低壓”。
▲小新Pro14宣傳圖
從命名看性能
廠商給CPU命名,自然是希望消費者能一眼看出性能差別(不過我覺得這一目的沒有達到),我們應該怎樣判斷CPU的性能呢?
還是從這張圖入手:
例:R9 5900X>R7 5800X
例:R7 5800X>R7 3800X
例:R9 5950X>R9 5900X
例:i5-10600K>i5-10400F
那不同代際的不同定位之間,不同廠商之間的CPU怎么比較性能呢?這個時候就需要一份“天梯圖”了。
我個人推薦使用超能網的天梯圖:
入口:https://topic.expreview.com/CPU/
這份天梯比較詳細,可供的CPU也比較齊全。
影響CPU性能的因素
在我看來,CPU的性能主要由以下幾個因素決定(重要程度從上到下):
決定CPU性能的最重要因素,體現CPU廠商功力。
拋開架構看核心和主頻是不合理的,當年AMD“農機時代”,多核高頻,游戲性能還比不如同時代的i3。同一代CPU的架構一般是一樣的,不同陣營的CPU可以通過評測來了解具體的架構。
▲AMD最新的Zen3架構
IPC,英文全稱“Instruction Per Clock”,中文翻譯過來就是每個時鐘的指令,代表了一款CPU的設計架構。CPU性能判斷標準公式是CPU性能=IPC(CPU每一時鐘周期內所執行的指令多少)×頻率(MHz時鐘速度)。
IPC越強,CPU性能就越強,因此Intel和AMD兩家都在不遺余力地提升自家CPU的IPC。
一般來說,制程越先進,數值就越小,相同面積下能容納的晶體管數量就越多,CPU性能越強。比如同樣是4核心的CPU,7nm比14nm的要強得多。
從占地足足150平方米的“ENIAC”到現在小巧的PC,電腦體積之所以能越來越小,和CPU制程的發展息息相關。
核心數很直觀,就是物理核心數,多少核就是多少核,如假包換。
現在不少CPU都有“超線程”技術,所謂超線程,就是一種提高核心利用率的方式,簡而言之就是能將一個物理核心虛擬成兩個線程,任務管理器看到的“框框”數目就是線程數。
注意:超線程只是一種提高核心利用率的技術,本質上不能代替物理核心!比如同種架構之下,4核心8線程,性能是不如6核6線程的。
主頻就是“核心速度”,顯示的是當前狀態下CPU的工作頻率。一般來說,主頻越高,運行速度越快,就好比汽車發動機,轉速越快,車速自然也就越快。
有一些比較老的軟件或者電腦書籍,會要求“主頻XXGHz”,但現在CPU的頻率并不是一成不變的,有一個叫“睿頻”的技術,無論Intel還是AMD都有,當需要的時候,CPU主頻會自動上去的。為了減少功耗,CPU是不會長時間高頻率運行的。
CPU高速緩存是用于減少處理器訪問內存所需平均時間的部件。當處理器發出內存訪問請求時,會先查看緩存內是否有請求數據。如果存在(命中),則不經訪問內存直接返回該數據;如果不存在(失效),則要先把內存中的相應數據載入緩存,再將其返回處理器。
緩存越大,CPU就可以更加從容地處理數據,不需要每次都訪問內存,能在一定程度上降低延遲,提升使用體驗。
Q:i7一定比i5好嗎?
A:不一定,一切以天梯為準,比如i5 8600K就強于i7 7700K。而同一代,同一平臺的CPU,i7>i5>i3。
Q:筆記本低壓CPU就是垃圾?
A:不是的,現在筆記本低壓和標壓的界限越來越模糊,主要看功耗。
Q:AMD的CPU跟NVIDIA的顯卡兼容不?
A:目前無論是N卡還是AMD的顯卡,接口是一樣的,都兼容。
Q:核心越多越好?主頻越高越好?
A:是的。但是僅限于同種架構的CPU進行比較,拋開架構比較就是耍流氓。當年FX9590,八核全核心5GHz,其綜合性能跟自家R5 1400差不多,游戲性能被吊打。
Q:散片就是山寨,小作坊產品?
A:不是,目前CPU除了Intel和AMD,別家沒有能力去山寨
于萌新來說,能夠準確認出CPU和主板對應關系,選出來的板U可以兼容使用,就算成功踏出攢機的第一步。接下來科普幾個小知識,幫大家快速掌握CPU和主板的選購知識。
眾所周知,板U關系其實只要看CPU和主板芯片組就足夠了,但對于萌新來說,芯片組和CPU數量過多,想要一遍就了解對應關系非常困難,所以咱們先從另一個參數下手,那就是CPU的插槽類型。
CPU插槽區分:
CPU插槽類型其實就是CPU和主板的物理限制,CPU插槽只會對應一種主板引腳,在購買CPU時,可以通過看主板和CPU的插槽是否一致來判斷是否能兼容使用,用下面酷睿i7-11700K和一款Z590主板的參數舉例。
酷睿i7-11700K和Z590主板的CPU插槽標注都是LGA1200,這就說明它們可以相互兼容,CPU能夠正常安裝在主板上,萌新通過這個方法能避免AMD處理器搭配英特爾主板的尷尬情況,電腦基本都能點亮。
為什么說基本都能點亮呢?因為這也有例外,比如相同主板和CPU插槽相同,但主板是上代的,CPU是新出的,這時候CPU雖然能安裝在主板上,但可能需要升級BIOS后才能點亮。這涉及到開頭說的芯片組和CPU知識。
芯片組命名規則:
一個CPU可以支持多組芯片組,一個芯片組也可以支持多種CPU。了解芯片組和CPU可以讓你板U搭配更合理,通過CPU插槽只能找到相互兼容的板U,但只看CPU插槽會遇到低端CPU配高端主板的情況。芯片組本身也區分高端、中端和入門,只有了解哪些屬于高端芯片組哪些屬于低端才能正確實現好U配好板。
了解這些CPU插槽和芯片組知識,大家應該知道為啥這次12代酷睿要換主板了吧,因為12代酷睿從10/11代酷睿的LGA1200換成了LGA1700,老的Z590/Z490就不兼容了,只能使用新推出的Z690主板。
AMD與英特爾大同小異高端芯片組用X開頭,如X570/X470/X370,中端也用B開頭與英特爾很接近,不過數字有區別,如B550/B450等,入門則是A開頭,列如A520、A320等。
英特爾和AMD處理器的命名規則大家應該有了解,英特爾酷睿i3、酷睿i5、酷睿i7,酷睿i9,分別對應處理器級別從低到高,AMD銳龍3、銳龍5、銳龍7、銳龍9也是同理,級別從低到高。只要找到相同級別的處理器和芯片組一一對應就好了,高端處理器對高端芯片組,低端對低端。
12代酷睿為什么要換主板?
英特爾平臺記得先對應CPU插槽,從10代酷睿開始就更換插槽,10代和11代酷睿使用LGA1200插槽,而之前八九代酷睿則為LGA1151插槽,LGA1151對應芯片組有Z390,Z390就不支持10代和11代酷睿處理器,只能使用八九代酷,這也是為什么這次筆者先從CPU插槽講起。AMD處理器目前沒這個問題,初代銳龍到銳龍5000都只用了AM4一種插槽,可以正常兼容。
了解這些CPU插槽和芯片組知識,大家應該知道為啥這次12代酷睿要換主板了吧,因為12代酷睿從10/11代酷睿的LGA1200換成了LGA1700,老的Z590/Z490就不兼容了,只能使用新推出的Z690主板。
490就不兼容了,只能使用新推出的Z690主板。