为什么这么多年了，intel和AMD的CPU频率还是没有超过5Ghz？

为什么这么多年了，intel和AMD的CPU频率还是没有超过5Ghz？  大哥大杂谈 2019-05-10 22:10:00
如果说CPU的性能可以通过哪些参数来比较，那大部分人都会提到CPU频率，一般而言在架构工艺相同的情况下CPU频率越高性能越强，在 2002年之前,CPU的时钟频率是不断增加的。
1981年IBM电脑CPU频率是4.77Mhz, 1995年intel CPU频率达到了100Mhz，是81年IBM电脑CPU频率的20倍还多，2000年AMD CPU频率率先突破了1Ghz，2003年intel CPU频率达到了3.7Ghz。


可以看到在2003年之前，频率提升是伴随着工艺提升而进行的，可是2003年之后情况开始出现变化，之后的十几年CPU的工艺从90纳米逐步提升到10纳米，而CPU频率提升进展很小，频率提升水平和半导体工艺提升水平相比，真的是惨不忍睹。
要知道在90纳米的时候，CPU的主频就已经可以达到3.7Ghz了，可是到了10纳米的时代，大部分的CPU默认频率还在4Ghz以下，搞了这么多年桌面上全核心达到5Ghz的产品居然还是不见踪影。

Intel Pentium 4 Extreme Edition 90nm产品

号称主频达到5Ghz的CPU目前桌面平台上面宣称CPU主频达到5Ghz的产品也就只有AMD FX 9590，Intel Core i7-8086K，Core i9-9900K(F)，而且这些产品的并不是全部核心能够同时达到5Ghz,只是单核可以睿频到5Ghz。

AMD FX9590

AMD FX9590这款产品是32纳米的产品，4核8线程，基准频率4.7Ghz，其220W的TDP带来了巨大发热，加上那被i3秒的单核性能，归类到AMD史上最失败的处理器之一是没有问题的。

Intel Core i7-8086K

Intel Core i7-8086K采用14纳米工艺，6核12线程，基准频率4Ghz，全核睿频为4.7GHz，是Intel纪念8086处理器推出40周年的产品，当然Core i7-8086K其实就是官方超频版的Core i7-8700K处理器。

，Core i9-9900K

Core i9-9900K采用14纳米工艺，8核16线程，基准频率3.6Ghz，全核睿频为4.7GHz，这个也是为了应对AMD的压力而把牙膏多踩了一脚的结果。
为什么主频提不上去？

限制CPU频率的第一个主要物理限制条件是：主频与信号在晶体管之间传输的延迟成反比，所以晶体管密度越大,时钟频率越高，而这个也是在2003年之前，半导体行业通过提升CPU工艺可以有效提升CPU频率。

但是2003年之后, CPU频率提升遇到了第二个技术瓶颈: 能量消耗。简单来说，CPU的能耗和时钟频率的三次方成近似正比关系，CPU频率在3Ghz之后, 继续提高频率会使CPU面临发热过大而烧毁的危险。

我们通过对FX8350和FX9590的主频和功耗关系进行一个计算，来看看能量消耗与频率提升的关系，实际上FX9590就是FX8350的官方超频版本，FX8350默认频率是4Ghz，FX9590默认频率是4.7Ghz。
那么FX9590的频率是FX8350的1.175倍，那么1.175的三次方是1.62，也就是说FX9590能耗比FX8350要高62%，而实际TDP对比FX9590比FX8350高76%（220除以125然后减去1），考虑到其他因素，CPU的能耗和时钟频率的三次方成近似正比关系是成立的。

那么2003年后CPU主频提升不上去的主要原因，并不是工艺进展不顺利的问题，而是由于CPU能耗与频率关系的问题导致，所以2003年CPU频率就达到了3.7Ghz，而16年后的今天CPU频率还在5Ghz以下，这么多年来主频并没有本质的提高。

CPU性能提升的新办法

根据CPU的能耗和时钟频率的三次方成近似正比关系来看，通过主频提升来提升性能这条路已经变得很狭窄了，需要新的方法来提升CPU的性能了，那么我们这些年采取了哪些方法呢？这里我只说比较明显的两种办法。

第一种办法就是加快CPU的内存读取速度，电脑内存架构,可以细分为寄存器，高速缓存，内存，硬盘。而缓存又可以分为一级缓存， 二级缓存，三级缓存，甚至四级缓存。其中现在的处理器的寄存器和高速缓存是集成在芯片里面的，所以提升CPU的性能可以通过扩大寄存器和高速缓存的容量来提高性能。

但是高速缓存最早是以外置的方式出现在英特尔386处理器上，真正芯片上内置的缓存是在486处理器上，当时容量只有8KB, 九十年代提高到16KB，而后来又出现了二级，三级缓存，这些细节部分就不说了，而到了现在缓存可以达到几十MB了。

第二种办法就是并行计算，也就是我们最熟悉的通过增加CPU的核心和线程来提升性能，传统上CPU都是一个核心的，后来英特尔公司在奔腾4上面引入了超线程技术，一个物理核心可以实现2个线程，后来AMD推出了Athlon 64 X2系列双核处理器，是2个真正的物理核心。

而这两年多核大战一发不可收拾，到现在普遍都是4核心8线程的产品，桌面上中端产品6核心12线程，高端的8核心16线程，还有更高端的16核心32线程，乃至32核心64线程，至于服务器上面，那更是多核心多线程加多CPU技术。多核心多线程的技术明显的提升了CPU的性能，所以这些年普通用户还产生CPU性能过剩的幻觉。

未来

目前在传统的技术上还可以通过各种办法来提升性能，但是总会有极限的那一天，传统意义上的摩尔定律有失效的可能，那么未来方案会是什么? 是新材料的集成电路? 还是量子计算机?还是以DNA分子为基础的新计算架构？

也许上面的方案都不是，但是只要计算通讯技术在人类社会发展中继续发挥越来越大的作用，那么更多的资金将会去推动相关技术的研发，新的技术必然会出现，广义上的摩尔定律还会走很远。

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