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细看电脑之芯(上)——从CPU-Z谈起

时间:2019-08-12 02:10 来源:未知   点击:

  我们总是习惯地用其处理器来描述电脑的档次,从486、586、奔腾,到现在的i5、i7,这些处理器的名称总是位于电脑广告最显眼的位置、是卖场吆喝最响亮的一声,也是消费者第一眼关注和第一声询问的答案。尽管处理器对电脑来说如此重要,但如果问用户这些所谓的处理器分代和档次到底有何区别?相信绝大部分人只知道它们的性能不同、价格也不同,却并不了解为何它们会拥有不同的性能和价格,更不要说频率、功耗、线程等同样代表着处理器能力指标,以及为此而凝结在这些小小芯片当中的,目前人类最高超的智慧和最精细的生产工艺。

  作为如此重要的计算机“大脑”,虽然很难理解,但处理器的详细情况也是用户们非常关心的,所以CPU-Z这款非常小巧,但能够为我们提供处理器及其周边一些详细规格数据的软件,就成为了很多用户,乃至测试人员的最爱。我们不妨就以这款大家最熟悉的处理器规格测试软件中提供的规格和数据,来详细了解一下处理器吧。

  以上的三张图分别是CPU-Z对目前最常见的三种处理器,即英特尔台式处理器、AMD台式处理器以及英特尔笔记本处理器给出的典型规格数据,下面我们就根据它提供的信息,逐条来解释一下吧。

  这一栏中的信息其实就是我们最常用的处理器名称,当然前面提到的486、586一类老处理器,现在已经基本绝迹了,我们目前最常见的处理器主要是英特尔的酷睿(Core)、奔腾(Pentium)、赛扬(Celeron)系列和AMD的APU、FX、Athlon(速龙)系列。

  英特尔的PC处理器虽然有多个系列,但核心类似,只是通过内部调整,如频率、缓存、线程等方式,让这些处理器呈现出比较明显的性能差别,适合其定价和市场需求。从名称基本可以看出英特尔处理器的定位以及档次,酷睿处理器主要面向中高端市场,性能和价格档次由低到高分为i3、i5、i7以及衍生的至尊版、至强E系列,他们同样通过频率、缓存、线程的不同进行区分,其中最便宜的酷睿i3零售价格也要800元左右,i5一般1200元起,i7价格在2200元以上。两款衍生产品中,至强E可以看作是酷睿i7的低频无显卡版,因此价格较低,介于i5与i7之间,而酷睿i7至尊版当然就是增强极限版,价格在3000元以上。

  奔腾(图4)处理器的价格在400~500元,目标主要是一些对性能要求不高的用户,用于办公学习、影音娱乐,甚至应对一些主流网游都完全没有问题。赛扬作为传统的低端入门级处理器,价格可下探至200元,性能当然也更低一些,只能用于办公学习和影音娱乐等最基础的应用。

  曾经是英特尔处理器代表的“奔腾”这一品牌,在“酷睿”处理器出现后本来已经逐渐淡出,现在又一次被推出作为主流偏低端处理器产品的品牌

  除了名称外,CPU-Z辨识出的桌面处理器都带有数字编号以精确标示其型号,而移动版处理器的数字编号却显示在“规格”栏中,这可能与移动版处理器经常会根据笔记本电脑厂商的需求进行定制有关。在处理器的数字编号中,第一位数字是表示分代,例如酷睿i5 6XXX就是比酷睿i5 4XXX更新的产品;后三位则是其等级,例如酷睿i5 6600的性能与价格就高于酷睿i5 6500。有些处理器在数字编号之后会带有字母识别符号,如图1中的“K”表示这款处理器是可超频产品,这些数字识别符号在移动版产品中更多见,都会在下面的“规格”栏中有所体现。

  AMD的几款处理器核心比较混乱,而且相当个性化。其面向高端的FX处理器和面向低端的Athlon采用类似的核心,同样以不同的频率、杀肖规律公式!缓存来针对不同的市场价位段和用户群体,总体来说,FX处理器的价位在600元以上,而Athlon处理器的价格在600元以下。APU是一种比较特殊的处理器,它的CPU核心能力一般,但内置显示核心比较强大,性能几乎相当于500元甚至更高价位的独立显卡,低端产品完全可以运行主流网游,高端型号甚至可以玩一些高端单机游戏。APU也并非是与FX或Athlon处理器进行市场价位分割的产品,更多的是以用户实际需求分割市场,其价位涵盖了250元到千元级别,无论是低端还是主流用户,都可以享受到APU提供的处理器与较强显示核心的融合体验,特别适合一些追求简洁的PC设计。

  AMD处理器的具体型号同样用数字标示,且数字含义,甚至是字母识别符号都与英特尔类似,例如图2中型号数字后的“K”同样表示这款处理器可超频(图5),所以这里就不再赘述了。

  AMD还为可超频处理器准备了专门的黑色包装,所以其可超频处理器又被称为黑盒处理器

  我们前面已经提到,同一代处理器经常会有多款型号采用类似的核心设计,但频率、缓存、线程不同,形成不同价位和市场的产品,要确认这些产品是否基于同一核心,就可以看CPU-Z提供的核心代号。有时处理器还会有另一种开发代号,用于架构等命名,与CPU-Z提供的核心代号并不相同,此时会出现同架构处理器,核心代号并不相同的情况。

  在核心代号的命名方式上,英特尔和AMD目前的主流产品各有特色,英特尔大量采用地名,例如最近的Skylake和Kaby Lake。AMD使用工程机械如“Piledriver”(打桩机)作为处理器架构的开发代号,而最终产品则采用地名作为代号,例如FX系列处理器的核心代号“Vishera”(维舍拉河)和APU的核心代号“godavari”(哥达瓦里河)等。

  TDP是热设计功耗(Thermal Design Power)的简称,主要是其发热能力的参考指标,指的是处理器在满负荷时可能会达到的最高发热量,散热器必须保证在处理器达到TDP的时候,能够让处理器的温度保持在安全范围内。当然这也就是说处理器的发热量并非一直和TDP数值相等,特别是在目前处理器性能过剩、处理器功耗管理又很受厂商重视的情况下,处理器一般任务的处理器如果无需满负荷工作,就会自动降低电流、电压,甚至关闭不使用的线程、核心等半导体区域,所以在大多数应用和时间之内,处理器的发热量是低于TDP数值的。

  另外要注意的是,TDP也不代表处理器的实际功耗,在处理器中,除了最终以热量方式散发出来的能量,还有一部分能量因为推动电子等做功方式而消耗掉了,以此为参考选择散热器是可以的,但要选择电源时,对处理器的供电能力必须高于TDP标称值。

  将处理器连接和固定在主板上使用,就是插槽的作用。为了保证信号与能量的传输,处理器和插槽必须带有相应的接触方式,如图1和图2所示,目前英特尔和AMD台式机处理器各自选择了不同的接触方式,即LGA和Socket。

  LGA的全称为land grid array(栅格阵列封装),处理器下方以整齐排列的金属圆点作为接触点。LGA插座带有下压式的安装扣具(图6),可以让处理器上的金属圆点和插座上的弹性针脚紧密接触,从而与主板连成一体。英特尔采用LGA接口的各代处理器,在接口设计上略有区别,触点数从最初的775(LGA775),到最新产品的LGA1151,经过了多次变化,进入智能酷睿时代后,虽然处理器的触点数量和排列有差别,但尺寸、封装厚度等变化不大(图7),所以近几代处理器的扣具和风扇兼容能力不错。

  Socket本身就是插座的意思,这一类型的处理器接口底部带有针脚,插入底座预留的对应孔内,并从侧面夹紧。AMD台式机处理器中,高端的FX处理器采用的是Socket AM3+接口,而APU和Athlon都采用Socket FM2+接口,均有900个以上的针脚(图8),在使用和安装时一定要小心保护这些非常密集而又比较纤细的针脚。

  虽然英特尔在台式机处理器中从Socket接口转向了LGA接口,但并不说明LGA接口就比Socket接口更先进,它除了更适合英特尔的处理器架构外,更多的考虑应该和当年的Slot接口一样,还是为了专利保护。从图3可以看到,在这款英特尔的移动版处理器采用了FCBGA(flip chip ball grid array倒装芯片网格焊球阵列)接口(图9),也就是直接焊接在主板上的模式,毕竟笔记本电脑并不适合DIY和升级,对处理器拆装能力的需求非常低,但对连接牢固性的要求更高一些。

  这里的工艺是指的半导体上的刻线),因为半导体上的线路制造方式实际上是在硅片上先进行整面覆膜,再通过光敏化学药剂进行光蚀“挖掉”金属覆膜的无用部分,露出硅片制造的,所以制造的精密度一般就是指的光蚀能达的精细度。而且实际制造中只有部分刻线会用到标注工艺的最小宽度,金属线路的宽度以及很多露出硅片的刻线宽度是大于标称值的。其实对于处理器的制造来说,涉及到的各种工艺技术非常多,例如目前比较热的三维晶体管(Tri-Gate)技术,可以让金属线),节约了面积,减少了处理器所需的层数,同时加快了速度。

  目前英特尔的制造能力已经达到了14nm,也有部分老式处理器采用的是22nm工艺,并且很可能在2017年内发布10nm工艺制造的处理器。AMD由于已经没有自己的生产厂,需要台积电等半导体厂商代工生产处理器,因此生产工艺受制于人,因为台积电生产工艺的落后,目前主流AMD处理器仍采用28nm生产工艺,也许在2017年内可以在处理器上应用14nm左右的生产工艺。

  核心电压当然就是驱动处理器核心运转的电压,随着技术的进步,这一电压不断下降。需要注意的是,我们提供的几张图片中,核心电压均非实际驱动电压,这和我们前面提到的功率自动调整能力,因为在使用CPU-Z测试时并非进行满负荷工作,所以处理器会自动降低电压以降低功耗。

  当然不同产品的核心电压也是有明显区别的,例如图3这样的低功耗处理器,其最高核心电压也较低。另外对于图1中的可超频处理器,我们在超频时如果希望其运行更稳定,常常采取提升核心电压的手段。

  规格可以看作是处理器的具体描述,除了型号之外还标注了频率,可以辨识处理器的实际使用情况,如图3那样的超低电压处理器也将名称标注在这里,大概是因为这种处理器的规格比较复杂,也可能因为厂商定制等原因有频率的差异吧。

  也许是因为APU中的显示核心特别重要,占据了一半甚至更多的芯片面积(图12),所以在APU的规格中没有提供频率信息,但比较详细的标注了其内置显示单元的信息。我们可以发现APU规格栏的最后,将其核心数量标注为处理器核心+显示单元核心的方式,这是基于AMD异构计算(让图形处理核心参与通用计算)的想法。异构计算可以让多核心但计算能力较弱的GPU去进行重复性高而相对简单的计算,而计算能力较强但核心数量较少的CPU核心进行一些复杂计算,大幅加快处理速度(图13),但至今为止,支持这一计算模式的软件仍然比较少。

  我们还可以看到英特尔处理器在Intel和Core(酷睿)之后都有商标标志,而AMD及其产品并没有相应标志,不知道AMD是未进行相关商标注册还是实在心大,完全不在乎。

  这一系列规格与厂商的产品规划和制造有关,和大部分用户没有太大关系,当然如果特别小心的话,可以考虑购买步进数比较大的产品,这说明厂商对产品或制造过程进行修改的次数,一般来讲数字越大,产品自身的设计和制造过程的问题越少。

  指令集可以看作是硬件与软件交流的语言,最基础的指令集是RISC(Reduced Instruction Set Computer精简指令集计算机)和CISC(Complex Instruction Set Computer复杂指令计算机)。RISC重视指令的简单和单纯性,例如采用等长指令,所以指令数也较少,因此处理器结构简单,一些常用功能处理效率很高,但一些复杂功能需要多指令组合完成,效率会有明显下降;CISC则直接使用丰富的指令系统,可以直接完成特定工作,但也造成了语言本身和处理器较为复杂。目前两种指令集及相应处理器有一些互相学习,所以分野已经不是那么明显。

  对目前的个人PC处理器来说,通用语言应该是x86指令集,即符合英特尔处理器x86架构的指令集。x86指令集是一种CISC指令集,但在处理器内部已经普遍采用效率更高的RISC指令,处理器在输入输出时会自动进行编译。

  我们可以看到,由于PC处理器对基础指令集的支持毋庸置疑,所以CPU-Z中标注的指令集其实是“扩展指令集”,类似于我们除了日常语言之外,在各个学科中学到的专用词汇,例如最早出现的扩展指令集MMX(MultiMedia eXtensions多媒体扩展)就是针对当时个人计算机普遍用于多媒体处理而推出的,包括视频、音频等加速能力的专用指令集。要支持这些指令集,就要在处理器内部布置专用的模块进行处理或“翻译”为标准指令。在这些扩展指令集中,最重要的是EM64T(或x86-64)指令集,即让处理器支持64位处理的指令集,它大大扩展了软件的能力、效率以及对内存等硬件的支持能力,已经成为了目前和未来软硬件发展的重要基础之一,而这一指令集来自AMD。

  处理器发展史上,出现过4位处理器、8位处理器、16位处理器、32位处理器和64位处理器,它们的“位数”究竟表示什么意思呢?这些数字表示一个时钟周期里,这款处理器可以接收和处理的二进制代码数目。二进制代码仅有0和1两种状态,8位处理器有8条线路,每个时钟周期可接受8个电信号(8bit),因为8位恰好是1个字节(1Byte),因此之后的处理器架构升级,均以8位为阶梯。随着8位处理器上升至64位处理器,每个时钟周期可接受的字节数也从1个发展到8个,带来的是处理器运算能力的倍增。当然,由32位处理器转向64位并不会让用户在实际应用中感受到双倍的速度,但是,它却预示着一个更加灿烂的应用前景。64位处理器的优势不仅在其处理能力方面,而且对于整个系统来说,也有相当大的进步。当数据存放在内存中时,每位地址编号越多表示同时存贮的信息量越大。地址数和处理器的位数密切相关,32位的寻址能力仅有4GB,福临门心水论坛32270不可能取代主权货币。。而64位则可以支持到16TB(180亿GB)的内存。不过这需要有相应的64位操作系统支持。另外,64位处理器可以在较低的频率下实现较高的性能,在功耗、制造难度等方面于32位处理器相比,有明显的优势。

  其实在个人计算机准备进入64位时代时,英特尔曾考虑将为服务器市场开发的IA-64(Intel Architecture 64,英特尔64位架构)架构(图14)引入个人消费市场,但它需要应用全新的指令集,而且是一种纯64位架构,与以往的32位x86指令集(IA-32)和RISC指令集都不兼容,尽管理论上可以运行32位程序,但需要使用“模拟器”方式,运行效率非常低下。而EM64T是x86架构的一种64位内存扩展技术,可以正常运行已有的32位和16位程序,与IA-64处理器有着本质的区别,而且由于之前AMD K8处理器(图15)的成功,已经得到了微软等消费软件厂商的支持。虽然有一些自创的指令,但英特尔的64位扩展指令集EM64T和AMD的x86-64区别其实并不大,只是英特尔不太愿意承认使用了AMD如此重要的指令集而已。至于AMD方面,由于自己的定位关系,所以并不介意支持英特尔的开放式指令集,如SSE、AVX等,这也使得目前两家的处理器在软件兼容上不会出现什么问题。

  时钟实际上是指的目前处理器的运行频率,由于现在的处理器都是多核设计,在负载较轻的时候会关闭一些用不到的核心,所以这里特别标注这些数据是基于第一个核心(编号为0)的。从第一个数据中,由于负载较轻,所以即使是最基础的一个核心,其频率也大幅调低至800MHz(图1,2)~1700MHz(图2),从倍频后的括号中,我们可以看到这款处理器实际支持的倍频数。

  由于处理器运行中,其总线负责与周边进行通信,为了保证信号传输的稳定性以及与周边配件的兼容性,所以无论高负载还是低负载,处理器的总线频率是不会有变化的。处理器的总线频率是来自于频率发生器并进行信号重整,由于频率发生器不一定特别准确,所以常常造成总线频率及核心频率不会特别精确。

  因为目前的处理器将内存控制器、PCI-E控制器等大量周边控制功能集成在内部,因此变动总线频率不仅对处理器有影响,也明显影响周边配件的稳定性,对于不提供倍频调节功能的锁频处理器,我们不建议通过调节总线频率进行超频。WIN7系统用32位还是64位好...

  如果希望了解所有核心的运行状况,我们可以点击CPU-Z主页面下部,工具按键旁的三角图标,选择“时钟”,即可看到所有核心、内存、主板、显卡目前的运行频率信息(图16)。

  在处理器工作的时候,会有大量数据和指令不断地输入输出,而处理器的速度与周边配件速度有巨大差异,处理器内部各部分之间的速度也不一定相等,所以需要有高速的存储单元对一些数据进行暂时存储。一般来讲一级缓存主要用于核心内部产生的数据暂时存储,例如我们前面提到的处理器RISC核心和CISC编译器之间,如果出现了速度偏差,那么已经编译完毕等待进入核心进行处理,或者已经处理完毕等待输出的数据、指令,都可以存储在一级缓存内,另外一些处理过程中出现的数据如果需要多次调用,或者需要等待其他数据一起处理、输出等,也可以存储在一级缓存内。AMD的二级缓存较大,可以暂存更多的数据,可以提前将需要处理的数据装入缓存,或者暂存处理完的数据等待周边配件取用,尽量减少临时从周边配件中调取数据的情况,可以平衡处理器和周边配件的速度差距。英特尔处理器的二级缓存稍小一些,用来存储更重要的数据,但设置了更大的三级缓存,也可以解决速度差距的问题,同时也用于和内置的核显交换数据(图17)。

  由于缓存设计的不同,我们可以看到多种配置方式,例如英特尔处理器为每个核心配置一级、二级缓存,三级缓存由整个处理器共同使用(图18),而AMD则为每个核心配置一级数据缓存,为每个核心群组配置一级指令缓存和二级缓存,且一级指令缓存和一级数据缓存的容量不同。

  CPU-Z还为缓存的具体信息专门设置了一个界面,从其中可以看到更详细的描述,特别是其最后一列“多路缓存”的详细情况(图19),此图为图3中酷睿i7-7500U处理器的缓存具体数据,可以看到其一级缓存采用8路集相联、二级缓存采用4路集相联、三级缓存采用16路集相联,也就是说被分为可以独立存取、清除的8块或4块,每块缓存如果出现问题或者需要清除数据,不会影响到其他缓存块中的数据。另外其一二三级缓存都采用了64byte的存储单位,即小于这一尺寸的数据也要占用一个存储单位,而大于这一尺寸的数据则要占用多个存储单位。

  目前多核心处理器已经成为市场的主流,多核心处理器是在一个处理器上有多个计算核心。早期的多核心处理器是在处理器上安装多个芯片,而目前的多核心处理器则是将多个计算核心直接设计并制造在一个硅片上。

  CPU-Z提供的线程数包括了虚拟线程,即用一个物理核心同时处理多个任务的能力,看作是一种虚拟的多核心。目前英特尔在高端处理器中引入了虚拟双倍线程技术,可以用一个物理核心同时处理两个任务,如图1中拥有4个物理核心的桌面版酷睿i7有8个线个物理核心的移动版酷睿i7有4个线年内引入多线程技术,不过之前的产品只支持多核心,并不支持虚拟线个核心,能同时使用的线个,其最高端的FX处理器也要使用8个真正的物理核心,才能获得媲美酷睿i7的8线程处理能力。

  CPU-Z还有几个页面,可以查看一些电脑的基本信息,这些信息均与处理器关系非常密切,例如图1中处理器的如下相关界面。

  在主板页面中(图20),我们可以了解到主板的制造商,主板型号(模型)、芯片组信息、LPC接口芯片(LPCIO,用于一些连接一些低速设备)生产商,以及BIOS信息、图形接口信息。

  在内存页面中(图21),可以详细了解内存的容量、速度、运行方式等基本信息,而SPD页面(图22)则可查询每个位置的内存条的具体信息如厂商、序列号,甚至包括预置的可用频率等信息。

  目前的大多数主流处理器都内置了显示核心,APU更是非常重视内置显示单元的配置,并且拥有较强的3D显示性能。这些显卡的具体情况可以从显卡页面(图23)看到,当然如果安装有独立显卡,我们也可以选择,CPU-Z同样能给出其较具体的规格参数(图24)。

  CPU-Z也提供了简单的性能测试和稳定度测试功能,其中性能测试结果还可以与一些典型处理器的单核、多核性能进行对比(图25)。

  作为半导体工业最高端产品之一的处理器,相关信息远不止我们上面提到的这些,但对一般消费者来说,CPU-Z提供的信息已经足够作为选购、使用、优化的参考。与CPU-Z类似的软件还有一些,它们各有特色,感兴趣的用户也可以选择使用。