为什么CPU主频提不上去?

为什么CPU主频提不上去?
2021年06月10日 09:43 牛叔科技

CPU性能可以通过哪些参数来衡量,相信很多人最先想到的都是CPU频率,在架构工艺相同的情况下,CPU频率越高性能越强。记得在2003年之前,CPU的频率提升幅度都不算小,1981年的时候IBM电脑的CPU频率是4.77Mhz,到了1995年英特尔CPU频率达到了100Mhz,提升了20多倍。

2000年AMD的CPU频率领先Intel突破了1Ghz,这5年里面频率提升了10倍,随后2003年英特尔CPU频率达到了3.7Ghz,就3年的时间,频率又翻了几倍,而到了2021年,CPU单核最高也就5.3GHz了,相比过去那些年的CPU频率提升可以用缓慢来形容了。

为什么主频提不上去?

影响CPU频率的一个物理限制条件是,主频与信号在晶体管之间传输的延迟成反比,也就是说晶体管密度越大,时钟频率越高,而这也是在2003年以前CPU频率可以通过采用更先进的工艺来提升主频,而且提升的效果是特别明显的。

但是CPU的频率提升不是没有限制因素的,这个因素就是能耗发热问题,能耗过高会导致CPU发热过大,可能会导致CPU烧毁,而CPU的能耗和时钟频率三次方成近似正比关系,也就是说频率翻倍,能耗可能会达到之前的8倍。

之前对FX8350和FX9590的主频和功耗关系进行过相关计算,大致的验证一下能耗与频率提升的关系,因为FX9590就是FX8350的官方超频版本,同样的工艺架构,同样的核心数量,可以很好的观察频率和功率的关系,FX8350默认频率是4Ghz,FX9590默认频率是4.7Ghz。

FX9590的频率是FX8350频率的1.175倍,1.175的三次方是1.62,也就是说理论上来说FX9590能耗比FX8350要高62%,对二者的TDP进行对比,可以发现FX9590比FX8350要高76%(220除以125然后减去1),从这个结果来看,CPU的能耗和时钟频率的三次方成近似正比关系是成立的,总之可以肯定频率和能耗的提升关系不是线性的。

当然有人会说,既然能耗增加导致发热,那采用先进工艺不就可以缓解这个问题了,理论上来说是的,不过工艺越先进,热密度越来越高,更容易出现积热问题,就像7nm工艺虽然可以提供比14nm更低的能耗,但是7nm处理器的积热问题更严重,能耗虽然低不少,但是温度并不会比14nm的产品低,这也导致靠工艺提升来提升频率越来越困难。

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