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现代的处理器设计,为何不能回到“低主频”时代

2004年10月的一天,在美国佛罗里达举行的一场产业会议上,时任英特尔公司首席执行官贝瑞特曾单膝跪地、双手合十,以一种夸张又略带幽默的方式向消费者诚恳道歉。


(资料图片)

而他道歉的原因则很简单,因为当时英特尔决定取消原定即将发布的、代号“Tejas”的4GHz奔腾4处理器。他们终于意识到,一味推高频率,并不总能带来更快的速度,相反超高主频设计给整套系统带来的功耗、散热,以及成本压力已经太大。

当时的Intel产品路线,Tejas据说原本会被作为究极奔腾4,或奔腾5发布

是的,当时英特尔必须放弃超高主频道路,“背叛”那些唯主频论消费者的期待,并去寻找全新的产品设计方向。而在真正的新品推出前,一次隆重且幽默的道歉显然是让公司摆脱尴尬,同时为新品吸引关注的一种巧妙方式。

当然,现在我们都知道,那时候以色列的海法团队已经成功重新挖掘出了奔腾3架构的潜力,推出了在移动设备上大放光彩的奔腾M处理器。于是在基于奔腾M(或者说基于奔腾3)进行技术创新后,便很快迎来了酷睿的时代。

在当时那个年代,消费者的确破除了“主频迷信”

有意思的是,不知是英特尔方面从此对“超高主频”心有余悸,还是因为新的架构确实不擅长运行在太高的频率下,从2003年的初代奔腾-M(0.9GHz)开始,一直到2013年的酷睿i7-4790K。在这整整10年的时间里,英特尔的旗舰CPU主频一直都低于4GHz,也就是低于那个从未发布的“究极奔腾4”处理器。

然而会有朋友因此就认为,奔腾M、酷睿、酷睿2、或酷睿i时代的处理器,在速度上比奔腾4慢吗?

Tejas处理器确实存在,据说它原本会是7GHz的单核设计、功耗高达250W

很可能并不会有,因为所有的相关测试数据都表明,英特尔的新处理器架构确实做到了惊人的效率提升,它们完全可以用低得多的主频,跑出比奔腾4快好几倍的实际处理能力。从这一点来说,从2003年至2013年,英特尔始终没有超过4GHz的处理器主频设计反而就成为了一种正面的宣传,给消费者传达了“新架构更为高效,因此不再需要超高主频”的印象。

然而超高主频的处理器,如今似乎又回来了

正是由于我们三易生活熟稔这段历史,所以面对如今的台式机、笔记本电脑,甚至是智能手机和平板电脑里的CPU、GPU设计,才会多少感到有些不安。

正如大家所知的那样,最近这几年无论PC、还是智能手机上的处理器,性能进步得确实都很快。

例如在PC上,非专业级的普通家用处理器核心数从4核、6核、8核,一路暴增到了16核、20核、24核,乃至32核,它们的主频也从4GHz、4.2GHz快速提升到了超过5GHz,甚至即将超过6GHz。特别是在“轻薄型笔记本电脑”上,三年前4核8线程曾经还是高端标配,可现在就已经变成了14核、20线程。

而在智能手机SoC上,虽然8核的CPU配置多年以来“雷打不动”,但主频的快速拉升依然是不可忽视的现实。虽然2020年我们还曾觉得超过3GHz的CPU超大核主频简直不可思议,但到了2023年,一些SoC的“中核”都已经超过了3GHz的运行频率,甚至还有传言称下一代的手机SoC将直接升至3.7GHz的超高主频。

即便是在现代的架构上,高主频同样也带来了高发热

那么问题就来了,如此高的主频,是否真的让这些最新的处理器变得更快了呢?老实说,这个问题其实需要分不同的层面来看待。

首先,如果只看跑分,或者是只看满负载、且散热良好前提下的极限性能,那么现代这些主频更高的CPU设计,确实可以提供更高的极限性能。

但在这个基础上想必许多朋友可能已经注意到,这些新款CPU的功耗、发热在客观上其实也越来越厉害。事实上,无论是如今那些120W(峰值功耗)的移动CPU,还是254W(典型TDP)的桌面CPU,它们都比当年最热、最耗电的奔腾4(也才90W出头)更热、更耗电了。

更不要说在智能手机里,现在旗舰机型VC均热板的设计已经越来越复杂、电池容量和快充功率也做越做越大。这些实际上都表明,如今的SoC在性能显著升高之余,其实很难说没有以更高的峰值功耗来作为代价。

真的需要越来越高的处理器频率吗

请注意,我们一直在强调“峰值功耗”这个概念。因为到了典型使用场景里,这些最新架构、主频更高的CPU,大概率其实是跑不到它们那个高发热、高功耗的最高主频上的。

特别是在笔记本电脑和智能手机里,厂商们为了更好的综合表现,往往都会刻意通过调度策略,让CPU在大多数时间都恰好只运行在它们能效比最高的一段主频范围上。

更有趣的是,那些总体性能更高的CPU反而大多采用低主频、大缓存、超多核设计

但是这样一来,一个问题自然也就产生了,既然更高的主频还是会大幅增加功耗,那么厂商们为什么不干脆放弃掉那部分会导致功耗猛涨的频率范围,只让CPU运行在一个能效比始终最佳的主频上。就像十多年前那样,大胆放弃对“高主频”的追求,而单纯将半导体技术所带来的增益,用于更高效的架构、更大的缓存呢?

【本文图片来自网络】

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