为什么现在cpu不再提高主频而是走多核？

~ 如果你对2004年英特尔总裁贝瑞特当年当着6500人惊天一跪还记忆犹新的话，或许能更能理解这个问题，当年老贝这一跪是对“惟主频论”失误的真心忏悔。

当时NetBurst架构的Prescott（Pentium 4的核心），虽然已经是用了最先进的90nm工艺，但是3GHz主频的CPU功耗就超过百瓦，如果频率要超过4GHz，功耗将是何其了得。

所以，在这儿就可以回答题主， 正是因为功耗（散热）制约了主频的提升 。
登纳德缩放定律的终结
相信你也听过摩尔定律，它告诉我们，芯片中晶体管的尺寸正在不断减小，因此芯片的晶体管数量可以不断增加。虽然近些年，摩尔定律一直在修改，但它似乎尚未完全停止。

事实上，除了摩尔定律，还有一个很重要的定律，称登纳德缩放定律（Dennard Scaling），大体说，随着晶体管尺寸的减小，它的功耗也按面积大致按比例下降。

摩尔定律和登纳德缩放定律这两个好基友放在一起，就是要告诉我们，可以不断缩小晶体管尺寸，并且在CPU中容纳更多晶体管，而功耗基本不变。

但是，到了Pentium 4，基本上宣告了登纳德缩放定律的终结，因为Pentium 4的性能只有486的6倍，但功耗却是后者的23倍（6^1.75）！

好吧，看看上面的图，随着晶体管的面积密度上升（蓝色线）16倍，功耗仅下降约4倍（紫色线），功耗降低已经不再与芯片面积密度上升成正比，Dennard Scaling is dead.

也就是说，继续以提升频率来提升性能的方法已经行不通了！
多核也能刷性能
到底CPU的性能是怎么定义的？英特尔是这么说的：

其中f为频率，提升f就能提升CPU性能，不过这条路已经不通了。

但是，我们还可以提升IPC呀，IPC（instruction per clock）是每时钟周期内所执行的指令数，所以才有了多核，2个核心，IPC就是原来的2倍，4个核心，IPC就翻了4倍，CPU的性能也就得到提升。所以我们消费级的CPU才从2核变成了4核，再到8核，现在已经升到了16核。

反正呢，现在摩尔定律还能苟延残喘，但Dennard Scaling已是过去式，虽然工艺越来越先进，CPU里可以装进更多的晶体管，但由于功耗墙的原因，已经没办法提高单个内核的频率，解决方法是在芯片上保留更多内核以提高CPU性能。当然并非所有程序都可以支持多核，因此这种潜在的性能增益并不总是能够得以呈现，但肯定是越来越好了。

发动机的转速再高，对速度的提升，也比不上气缸多来的直接！ V12 发动机不会搞9000转，8000进红线。

一个喇叭尺寸再大，音量再高，看电影的时候，也不可能比7.2声道效果好。

理论上时钟速度越高，也就是主频越高，CPU运行的速度就越快。频率就是指单位时间内完成定期更改的数量，有的指令可以在一个时钟周期内完成，有的指令则需要多个时钟周期来完成，如果将时钟速度提高为3.2GHz，那么CPU每秒就会执行32亿个周期。

大家似乎很难理解主频提高会提高CPU的性能，举个例子：假如你举手需要2秒，让你1秒钟完成一次举手的动作，再让你1秒钟完成10次举手动作，再让你1秒钟完成100次举手动作，性能就是这样被提高的。在能尽可能短的时间内让CPU内的几百亿的晶体管快速的打开和关闭来提升CPU的运算能力。
提升CPU的主频确实能够提高CPU的性能，但很快被玩残了
早期在绝大多数人的认知里，都认为主频越高CPU的性能就一定越高，CPU的制造产商在过去也是一直这样引导普罗大众的。这就引发了英特尔和AMD持久的主频争霸战。

AMD的速龙系列率先突破1GHz，使得英特尔乱了阵脚，慌忙地推出奔腾3系列。仓促推出的奔腾3还有很多问题所以并没有帮英特尔扳回一局，所以很快就推出了基于NetBurst架构的奔腾4。速龙出场1.1GHz左右，而奔腾4则快速的拉到了1.4GHz左右，致使AMD的价格优势尽失。

奔腾4虽然赢得了市场，但有心人很快就发现了问题，奔腾4在很多方面的表现还不如奔腾3，典型的“高频低能”来描述。

这一切都归功于NetBurst架构的超长流水线来提高主频，20级流水线说句不好听的就是在磨洋工，磨洋工就磨洋工吧，但痛点就是CPU的热量大，所以后期的CPU对于风扇和散热器的要求越来越高，这才有了后来的用CPU煮饺子，烤肉的梗。

性能不够、超频来凑，AMD也同样犯过这样的错误，通过超长流水线来提高CPU的频率，比如4.7Ghz主频的是FX-9590，TDP达到了220W，风冷压不住，只能采用高端水冷散热。这才有了网上所说的i3默秒全的梗，追求单核主频的AMD最终坐实了千年老二的位置。不过还好AMD后期开始认识到问题的严重性，多核RYZEN系列开始有翻身的迹象。
单核通过提高主频来提升CPU的性能注定只是一个笑话
2004年64岁的英特尔CEO当着6500多技术人员的面跪下道歉宣布放弃4GHz主频的奔腾4，这说明英特尔也没能解决CPU主频提高散热量增大的问题。这是英特尔的转折点，也是单核到多核的一大转折点，因为英特尔是继Sun、IBM、AMD之后宣布走向多核。

CPU的性能=时钟频率*IPC（IPC即一个时钟周期完成的指令数），而CPU的功耗和电流*电压*电压*主频成正比，增加主频很可能会以3次方的速度增加CPU的功耗，而增加IPC只会线性的增加CPU的功耗。假如增加1倍IPC而减少一倍时钟频率很可能产生一个结果CPU性能没有改变，而功耗却大幅地降低了。毫无疑问多核可以增加IPC，可以减少时钟频率的同时增加CPU的性能。
总结
过去的30多年里，CPU性能随着主频的提高而提高是芯片产业从技术、应用、产业发展的基石，而现在大厦的基石却彻底地改变了。只能说单核提升主频来提高CPU的性能过于理想化，以至于忽略了很多外在的因素，现实无情的打脸最终才让芯片巨头们走向了多核之路。

目前限制CPU的不是技术工艺，而是散热，Intel的CPU可以轻松6-7Ghz，前提是你得液氮散热，考虑到目前大多数风冷散热现实，限制主频2-4之间，也是对市场妥协。如果将来某一天，普及微型液氮散热器，说不定多核就没那么重要了

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首先，要说的是现在手机也不是不提高主频了，只是提高的速度比以前更慢了。

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不要光用频率衡量CPU的单核性能。举个例子，里程碑1代的555Mhz主频的德仪CPU，可以把HTC G7上面那颗1Ghz CPU从上到下秒一个遍。CPU单核心性能，可以用车辆的轮子计算。频率只是转速，代表转多块。影响的另外一个因素是单核能效，对应的是轮子的直径。轮子的直径大，并不需要转多快也能维持高度。但是直径小的，必须提高转速才能达到一样的速度，带来的结果就是功耗和发热的提高。

不要看核心频率来定量CPU性能，要看核心架构在看频率，一般同一架构频率越高性能越好，像3.2gHz的八核推土机性能还不如四核八线程的酷睿i5性能好。四核四线程奔腾N4200还没有双核四线程M5性能好。目前CPU领域性能最好的是酷睿了，像主机CPU美洲豹架构只能和打桩机差不多，和酷睿i差远了，有人推测八核美洲豹性能居然只有比双核酷睿i5好一点。

有个重物50kg，一个人搬不动，解决的办法有两种，一是锻炼身体，增加肌肉力量，半年苦练后基本就搬得动了；而是再喊一个帮忙抬一下，1分钟解决。[大笑]

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。

一个CPU中含有数十亿个晶体管，比如英特尔的主流CPU拥有20亿个晶体管，在某些高端产品中晶体管数量高达60亿个。晶体管在做模拟信号的相互转换时会根据CPU主频的高低产生动态功耗，因而CPU的主频越高，发热量就越大。

当然芯片的制造工艺一直是在不断发展，根据摩尔定律，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔一年半会增加一倍，性能也将提升一倍。

2000年的奔腾4处理器，制作工艺是180nm；

2010年的酷睿i7-980X，制作工艺32nm；

2013年的酷睿i7 4960X，制作工艺是22nm；

现如今酷睿i7 9700k的制造工艺更是达到了10nm级别。晶体管做得越小，导通电压更低，就可以补偿了CPU主频升高带来功耗的增加。

但是，CPU的制造工艺是不会无休止地提升，越往后技术难度越大， 因而制造工艺是限制目前CPU主频提升的最大障碍 。 而且晶体管尺寸是减小了，但数量的增加会使晶体管之间的积热问题凸显出来，因此总的发热量并不会有太多减少。

况且主频仅仅是CPU性能表现的一个方面，而不代表CPU的整体性能。CPU的性能参数还有二级缓存、三级缓存、指令集、前端总线等方面。一味地升高CPU的主频,会使CPU的发热量成倍增加，最后为了给CPU降温就要在散热装置上花费极大的功夫，这样做是得不偿失的。

所以为了增加CPU的速度，半导体的工程师们就给CPU设计多个核心，能够达到相同的效果。就好比有100道算术题要计算，单核CPU就是让一位速算高手来完成，而多核CPU就是请了四位速算能力一般的人，但最后还是四个人完成100道题所用的时间短，毕竟人多力量大嘛。

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长治市19647923912： 为什么现在 cpu不再提高主频而是走多核 - ？
察瑞妥布： 谁说不再提高主频的?随着制程工艺的不断提升,现在的14nm处理器主频,肯定比早几年28nm处理器的主频更高一些.问题是,随着半导体集成电路物理极限的逼近,在晶体管总数量不断急剧增加的情况下,要想将整块CPU的TDP控制在一个...

长治市19647923912： 为什么现在cpu不再提高主频而是走多核 - ？
察瑞妥布： ..CPU单核心提升高主频也是有极限的,且对硅晶圆材料的品质要求很苛刻的,致使成品合格率下降,成本会大增了.业余分析来看,低主频多核处理器芯片的工艺、成品率、成本增加不大,几乎不受影响,利润却增加不少.多核心的节能技术更容易控制,多核协力性能自然要强过单核高频效果啦.

长治市19647923912： 为什么CPU的频率不在提高了? - ？
察瑞妥布： 其实,早在2004年INTEL打算出一款超过4GHz的处理器,但是由于当时的超长流水线架构,就是Netburst的问题,造成了处理器的发热量和功率过大,但是性能提高却是寥寥,从而导致了一系列的问题.从此INTEL改变了策略,使用了新的架构,提高了“每瓦性能比”,也就是今天的“酷睿”. 这样可以拥有更好的TDP和性能.不过,前一阵子有一条新闻,INTEL准备在2008年年初推出一款4核心的4GHz的处理器,代号叫BloomField,8mb二级缓存,这是因为随着新架构的实行,提高时钟频率与降低发热得到了平衡~所以,期待吧~~

长治市19647923912： 为什么现在CPU要做多核心,而不再提高频率呢,? - ？
察瑞妥布： 技术上遇到了瓶颈,频率不好再做太高了,功耗发热以及良品率都很难控制.不过随着工艺制程的提升,主频还是在缓慢提高的.而多核心可以比较好的解决这些问题,毕竟俗话说得好“双拳难敌四手”,“人多力量大”,就是这么个道理吧

长治市19647923912： cpu主频为什么不怎么发展呢 - ？
察瑞妥布： CPU的效能不仅仅是主频来决定的,它和缓存、架构(流水线)有非常密切的关系.1、CPU的主频不是不能提高,而是提高后发热量大增.因为使用的晶体管栅极材料存在漏电现象,高频率下电子迁移现象显著,增成耗电量和发热量剧增,得不偿失.2、所以现在的CPU超另一个方向发展,既然不能提高主频,那就提高效率,所以虽然现在的U主频并不高,但是效能比以前要增加很多.3、另一个发展方向就是多核,一个主频低,咱就来上两个、三个、四个,同样可以提高效能.

长治市19647923912： 为什么cpu不提高主频反只增加核心？
察瑞妥布： 因为..为提主频,而认为采用高流水线级数的CPU构架,并不能提高性能,因为..流水线多,分级报错的几率就提高,一报错,就返回从头计算.所以,CPU执行效率就下降.所以,为什么现在的CPU不提主频只增加核心数量,什么4核之类的.并不是技术问题.以现在的晶片技术,很容易认为的把CPU的流水线增加到40级以上,5G主频很容易获得. 但带来的只会是高功耗高发热和高要求的散热系统,以及低执行效率.INTEL和AMD都不是傻子

长治市19647923912： 为什么cpu的主频几年都没有增长了? - ？
察瑞妥布： 我们学了点这个,但是学得很郁闷呀!我说下我的观点吧,好像是这样的: CPU的主频是来自时钟频率,时钟频率比较容易做得很高. 但是CPU主频还得看内部三大总线、运算器、寄存器等一系列的组件是否支持这么高的主频,否则太高的主频更它们响应不过来、发热量大大增加(当你玩超频就可以会出现这样的问题).所以要想提高主频必须提高各种元件工艺和改进CPU结构(即有硬件方面的,也有指令集方面的)、提高集成度,降低功耗.这些方面的改进是相当困难的,简直是十年磨一剑!现在的CPU性能的提高并不单纯靠主频的提高,更多的采用的多核等其它新兴技术.CPU性能上我觉得最主要的不在于主频,我觉得还是在指令集这块,当然还有许多其它的指标.

长治市19647923912： 为啥现在的计算机CPU的主频做不了很高,现在见到的都手2G或是3G的,为啥做不了更高呢? - ？
察瑞妥布： 没错,现在的制程下,主频无法提升的太高,否则功耗、散热方面根本承受不了,所以才做成多核的.提升1G的频率所花费的代价太大,并且得到的性能提高太低.而加个核心,性能几乎翻倍,难度又不是很高.而这两者又是相互制约的关系,核心多了,为了保证稳定性,主频就得保持在稳定的程度,比如你如果把现在的4核CPU屏蔽成单核的,很轻松超超频就4-5G了.所以这中间的因果关系就是:首先,提升主频变得越来越难且不经济>>CPU厂商推出了多核的结构>>多核结构又进一步限制了主频的提高,应该是这么一个因果关系

长治市19647923912： CPU的主频高有什么好处?坏处?为什么现在intel和AMD不再一味提高主频了? - ？
察瑞妥布： 就这么说吧,AMD的K8之所以领跑了三年,主要是就是因为AMD提出个＂有效利用＂就个道理,所那个时候他就开始用什么XXXX+这样来给CPU性能做定义,加上他的内置内存控制器,压了INTEL三年 然INTEL那些日子一味地提高主频,这在...

长治市19647923912： 听说现在台式机的CPU的主频不在增加了是吗?intel为什么不在? ？
察瑞妥布： INTEL放弃了4G主频的研发计划,不是技术原因也许青睐高主频的用户越来越少了,玩家开始清醒了不在单纯的追求主频,高主频也带来高热量高功耗的负面影响,主频只...