看懂CPU规格，外频、倍频、快取
2008-07-11 10:55:24| 分类：
计算机基础
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看懂CPU规格，外频倍频快取
为桌上型电脑和笔记型电脑选择 Intel Core 2 Duo 处理器做为动力核心，即可享有最尖端的效能增强技术，包括高达 4MB 的共用 L2 快取存贮器，以及高达 1066 MHz的前端总线.....（注：以上取自Intel官方网站）这年头，就连CPU的广告都是一堆专有名词，懂得人当然一看就知道好在那里，不懂的人....大概就像我在购物台看果菜机，不管哪一台都觉得好厉害，可以买来让妈妈变贵妇所以从这篇开始，我们会深入CPU的规格，解释那一长串的专有名词，让大家真正了解CPU背后的技术由于CPU已经发展30年了，真要重头讲起可能得写几大本书才行，所以这里尽量以最新的规格为主大家先上网抓CPU-Z回来玩一下，它会辨识CPU的型号并列出详细规格，每台电脑都有CPU，看跑出来的规格再对照下面的说明会更容易理解要先说声抱歉，因为这篇是规格解说，绝大部分都是文字讲解，可能会看比较累，先去倒个饮料再来慢慢看吧～
CPU-Z是玩家必备的CPU辨识程序，它会去侦侧系统，所以有时会被防毒软件（比如卡巴斯基）挡下来，别担心，这程序很安全1.制程封装脚位电压TDP
CPU是所谓的半导体制程下的产物，台湾是世界知名的半导体代工大国，大家应该对这种高科技高污染的产业有点概念，它是用硅化合物做成可通电或不通电的电晶体（所以叫半导体），塞在小小一块面积里，运算电脑世界中0与1组合的资料，现在主流的CPU大约有1～3亿个电晶体在那块小小的豆干上制程（Manufacture Process）是指芯片里电子移动通道的宽度，现在一般是90nm或65nm（nm为奈米，十亿分之一公尺），制程进步就是宽度缩减，让Die面积缩小，Die面积缩小就可以省钱（芯片是先制造一大块晶圆，比如八寸12寸晶圆，再去切割成一颗颗的Die，封装之后变成芯片）；另一方面，宽度缩减也代表可以在相同面积下塞进更多电晶体，让芯片有更多功能，所以各大半导体厂都把制程缩减列为首要目标封装脚位（Package）则是晶圆做成芯片后，拉出来传输资料的脚，前一篇我们已经有拍Intel和AMD产品的针脚，Intel目前用的是LGA775，已经用了好几年了，数字就是针脚的数目（虽然事实上并没有针脚）而 AMD目前的脚位有点乱，包括Socket 939/AM2/AM2+/AM3，除了Socket 939之外，其他都是940根针脚，但针脚的电气定义并不相同，AMD针脚数目较多脚位规格混乱是有原因的，后面的章节再讨论电压（Core Voltage）和TDP密不可分，电压是驱动CPU工作的电力，由于制程精进，CPU所需的电压愈来愈低了，现在大约在1.3V左右或更低可是TDP（Thermal Design Power）也得考虑进去，TDP是让CPU工作而且不会热死机时所必须散发掉的热能，单位是瓦（W），现在CPU没有散热器就没办法运作，所以TDP不是单纯指 CPU的耗电量而已，65W的TDP是指让CPU全速运作时，必须散掉65W的热，CPU才不会过热死机，而这65W的热可藉由风扇热导管水冷等各种散热方式来消除TDP数值愈低愈好
2.型号核心代号
型号没什么好说的，就是CPU贩卖时的产品名称代号（Codename）反而比较值得注意，厂商在制造CPU时，并不是每个产品型号都做一款，而是大量生产少数几种芯片，再筛选每一颗芯片，依特性去划分成不同的产品，这样可节省制造成本而这少数几种芯片就是CPU的核心代号，同一个核心会衍生出不同的产品型号，最后的规格也会不同这是因为晶圆制造并不一定每一颗都很完美，最完美的会划成高阶产品，稍微有问题的，比如无法到达高时脉，或是部分电晶体有缺陷，就降成低阶产品，充份利用每一个生产的晶圆所以从代号有时可以看出厂商的策略，比如图中的代号Conroe（网络上常戏称它是控肉）是目前最红的Intel Core 2 Duo的代号，第一代的C2D产品都是用这个核心，可是后来E6300和E6400这两个产品换成Allendale核心，即使他们最终的产品名称和规格都一样因为Conroe的芯片内部有4MB快取，而E6300/E6400则是2MB快取的产品，初期可能晶圆有缺陷，正好降低规格卖出，但制程良率提高之后，这种有缺陷的晶圆变少了，就得手动关闭部分功能来生出低阶产品，这会造成厂商在单个晶圆上的获利变少（明明是完美的，却得降价卖），所以这时就会换生产另一颗核心，换比较便宜的芯片来提高获利，就E6300/E6400的例子，Allendale就是内部原本就只有2MB快取的核心，芯片面积变小，适合较低阶的产品总之，核心会影响CPU的特性，也能帮助了解CPU产品线的规格
同样是E6400，却有Conroe和Allendale两种核心3.核心时脉
时脉（Clock）是CPU最重要的规格，单位是MHz或GHz，意思是CPU 每秒跑几百万次（MHz）或十亿次（GHz）CPU内部是一个个的运算单元，像小型计算器那样可以算一些加减乘除，而所谓的跑一次，就是 CPU内部所有单元做一次动作，执行某些运算，2GHz的CPU就代表它可以每秒做20亿次的动作所以很直觉的，时脉愈高，数字愈大，执行的速度就愈快，而这也是划分CPU产品定位的第一标准但不同核心的CPU时脉不能混在一起做比较，因为它们跑一次所做的事并不一定相同，这就是所谓的时脉周期（Clock Cycle）比如过去Intel Pentium4的CPU动不动就2GHz3GHz，换到Core 2 Duo之后就变成只有1GHz2GHz，可是事实上C2D的效能比P4好太多了，好到让Intel全面放弃旧结构的Pentium4，因为C2D每个时脉周期可以做更多事，就算时脉没有前一代产品高，整体效能还是比较好至于为什么CPU的时脉都可以拉到GHz这么高等级，是因为现在CPU内部是管线化的结构，讲管线好像很难，其实很好理解假设有一台洗衣机可以做洗衣脱水烘乾的步骤，一堆衣服丢进去，整个做下来要30分钟，如果管线化拆成三台机器，每台只做一个步骤，虽然一堆衣服仍然要30分钟才能处理完，可是会变成一次可以处理三堆衣服，而且每台机器运作的时间也变短了而运算时间变短，就是一个时脉周期缩短，也就是时脉提高了现在新的CPU内部大概都是十几个阶段（Stage），之前Pentium4时脉会那么夸张，就是用了20个阶段来飙速度
4.外频倍频
CPU得对外和其他零组件沟通，而外频（Bus Speed）就是CPU对外的时脉，那跟前面讲的CPU时脉有什么不同？其实早期外频和CPU的内部时脉是相同的，但在CPU开始导入管线化结构之后，时脉突飞猛进，远远超越其他零组件，所以CPU便使用外频和倍频（Multiplier）的机制CPU内部跑的是高时脉，但对外就降到较低的外频，现在一般是200～333MHz，而内部的高时脉就是外频 x 倍频，倍频的话，现在是6到11不等，不过以前也曾有过20几倍频的为了进一步让事情复杂化，外频也不是其他零组件跑的时脉，而是其他零组件做为基准的时脉，因为各零件的发展速度不一，所以便衍生成这种状况比如CPU的老相好存贮器，便是以外频为基准，乘上不同的比值或算法，变成存贮器时脉而底下要讲的FSB则固定是外频的四倍正常贩售的CPU的倍频都是只能下降不能提高（除了少见的工程测试版，或极高阶的CPU），倍频下降是CPU自己启动的省电机制，降低时脉来节省耗电所以大家所说的超频都是拉高外频，而因为外频是其他零组件做为基准的时脉，一拉外频就鸡犬升天，CPU存贮器FSB的速度都跟着提高，电脑的整体效能就会显着提高
CPU-Z里左下方的Bus Speed就是外频，图中是被我超频过的300MHz，Multiplier中的6.0则是倍频，300和6相乘就变.....1799.9MHz，0.1的误差是因为时脉产生器不一定非常精准
切到CPU-Z的Memory（存贮器）部分，Frequency频率会显示375MHz，底下有个4:5的比值，就是以外频为基准，乘上5/4变成存贮器时脉这个比值有很多种，取决取北桥的存贮器控制器，像1:11:2等等，设置比值和外频时脉，有时可以在CPU超频后，让存贮器跑在比原来还低的时脉，增加稳定性(PS：存贮器时脉的算法因存贮器控制器不同，会有不一样的公式Intel是固定几种比值乘上外频， AMD则是连同倍频一起纳入计算，而NVIDIA新的芯片组号称有Unlink非连结方式，可让存贮器和外频时脉各自独立调整，但那只是内建更多的比值，让存贮器时脉可以细微变动，基本上仍然都以CPU的外频为计算基础)5.Front Side Bus（Intel）和HyperTransport（AMD）
CPU直接连接一个重要装置：北桥（关于北桥的用途，请参照主机板的章节），而前端总线（Front Side Bus，或简称FSB）就是CPU和北桥之间沟通的速度，北桥连接的全都是高速周边，所以FSB对效能的影响非常大要注意的是，FSB是Intel CPU专用，AMD的CPU用的是HyperTransport（简称HT），技术不同，但功能一样是连接北桥现在Intel的FSB固定是外频的四倍，AMD的HT则是外频五倍，一些低阶的产品则是四倍（＊注：新结构的AMD CPU不再是外频4或5倍，算法未知），但因为Intel和AMD的CPU的外频并不相同，Intel的处理器外频是200266和333MHz（依产品定位高低而不同），AMD则固定是 200MHz，乘上倍数之后，Intel的FSB是8001066和1333MHz，AMD的HT则是800或1000MHz，除了Intel最新的 1333MHz比较快之外，另外两个是差不多的FSB和HT都是CPU和北桥连接的速度，所以这不仅是CPU的规格，也是主机板北桥的规格，两边要支持相同的速度才能搭配
用CPU-Z看AMD的CPU，Rated FSB的部分会变HT link，指的就是HyperTransport的速度(PS：FSB和HyperTransport通道宽度不一样，FSB是64 bits，HT是32 bits，但HT是双倍资料速度（Double Data Rate），每个时脉周期可以传两次资料，抵销之后，直接比较FSB和HT的时脉就知道谁的频宽比较大)6.L1/L2快取
算完一堆数学有点头昏脑胀了吗？接下来也是个数大便是美的规格，但不必再乘来乘去了，快取（Cache）在这一系列教学的第一篇就有讲到，CPU需要存贮器做资料暂存，但CPU实在太快了，在存贮器里运算资料还是嫌太慢了，所以现在CPU都直接在芯片里内装存贮器，也就是快取机制，由于快取存贮器根本就在CPU里面，时脉和CPU一致，速度飞快一般是64KB的L1资料快取和64KB的L1指令快取，还有1MB到4MB不等的L2资料快取电脑很多地方都有快取的设计，它的意义很简单，就是高速装置和慢速装置中间的缓冲区以CPU为例，当你执行一个软件，比如Word，资料就先从硬盘载到存贮器，再从存贮器读到CPU快取里，CPU是从快取里执行，这样遇到需要重复使用的资料时，就能从快取里读，不必再绕远路去翻存贮器而L1和L2 就是第一第二层快取，因为.....该死的！CPU实在太快，必须要有非常非常快的快取做为它的暂存区，这就是L1，可是这种超高速的快取制作困难，成本极高，量不能太大，通常只有64KB或128KB，暂存最近执行的资料而第二层的 L2就比较大，1MB2MB４MB都有人做，放一些较久之前执行的资料，再更久一点的就到存贮器去，而不太常用的才回到硬盘而CPU找资料也是从L1L2存贮器硬盘依序从最近（最快，容量最小，最贵），到最远（最慢容量最大，最便宜）找下去，而存贮资料时，比如存档 Word文件，也是这样一步一步回到硬盘去一些服务器用的CPU还会有更大的L3快取做第三层缓冲，未来制程进步，也许一般消费端CPU也会有L3快取是愈大愈好，因为CPU内部的运算单元执行速度超快，对一点点的推迟都很敏感，最好一切都能在快取内执行，需要载入新资料时，不得已才从存贮器里读所以快取大小是评断CPU效能的依据，通常性能愈强的CPU，也会搭配更大的快取但要注意，不同厂商的快取大小不能混为一谈，因为所用的结构不同，比如Intel CPU的快取通常是AMD CPU的两倍或更大，这是有特殊原因的
CPU存取资料的顺序如上图所示，由最快最近的地方找起，如果没抓到想要的资料再一层层往下找，因此愈上层的部分，影响效能就愈明显写入资料时也是一层层往下写，除了硬盘可以永久存贮之外，其他都是一断电，资料就消失，所以如果你在编辑一个Word档，在还没有存档之前，只有CPU的快取和存贮器里有资料，一跳电，就完了
快取对CPU有多重要？有图有真相，这是一张CPU晶圆的显微照相图，周围一块是L3快取中间是L2快取里面还有L1快取事实上，现在CPU电晶体将近1/2都是快取
CPU-Z里有个latency.exe，执行就可以看读快取的推迟，图中显示L1是3个时脉周期，L2是14个时脉周期存取存贮器的话，大概需要3位数的时脉周期7.Stepping
呼～最难的已经过去了，前面讲到一颗核心会衍生不同产品，不过一颗核心也会随着时间做改版，也就是Stepping通常一个核心做出来不会是100%完美，可能会有一些bug等等，核心改版通常会改善一些电气特性，像是耗电量稍低一点超频性能好一点增加功能，甚至提高FSB的速度，虽然还是同一个核心，但Stepping愈新，CPU的体质也会更好Stepping由一个英文和一个数字组成，最初可能是A0A1，数字代表小改版，再来可能是B0B1B2，英文字改变代表大改版比如Intel 最新出的FSB 1333MHz的CPU，就仍然是Conroe核心，但Stepping已经到G0了，而最前面图中是写L2改版，这是让CPU在闲置时耗电量从22瓦降到12瓦
双核心 / HyperThreading
最后，现在流行的双核心（Dual Core）是什么？其实就是在一个 CPU的芯片里，有两个完整的CPU运算核心，他们共用快取来互相分享资料共用FSB或HyperTransport与外面沟通，运算时则互相帮忙，平分工作量，Windows XP已经支持多核心的CPU，执行绪会自动分派到两颗核心用最直觉的比喻，就是以前CPU只能全速做一件很操的事，双核心后就能全速做两件（比如一边做3D绘图，一边压缩影片真是太疯狂了.....）会朝向双核心发展其实有点不得已，因为这几年，CPU单一时脉周期的效能成长已经逐渐趋缓，利用增加核心来提高效能反而是比较简单的解决方式，2008年四核心就会普及，接下来就八核心......再接下来，可能就是划时代的新CPU结构了
还记得这张图吧？上一篇曾经出现过在CPU使用率记录分成两块，就是分别显示两个CPU核心的负载状况而在双核心还没这么普及以前，Intel想出一个很聪明的作法，称为HyperThreading（超执行绪），有点像虚拟的双核心前一篇说过，CPU一次只能跑一条执行?，HyperThreading则让CPU可以同时接收两条，当其中一条执行绪只用到CPU一部分的运算单元时，另一条就可以插进去补满，让全部的运算单元都有事做事实上CPU仍然只有单核心的运算资源，只是让运算单元的利率用提高，由于HyperThreading不是实体的双核心，所以效能顶多增加10%～15%左右（Intel宣称有30%，听听就好），总比没有好 Pentium 4绝大部分的产品都有HyperThreading，在Windows XP下看就有两个CPU占用率，即使实体上只有一个核心Pentium 4灭绝之后，HyperThreading也跟着被淘汰，不过在Intel下一代产品中准备来个大复活，Intel之后会推出一个四核心的产品 Penryn，每个核心都内建HyperThreading，猜猜看Windows XP下会看到什么？没错，就是八脚章鱼.....!我们真的需要这么多核心的CPU吗？这问题等到2009年再来回答好了
结语
为桌上型电脑和笔记型电脑选择 Intel Core 2 Duo 处理器做为动力核心，即可享有最尖端的效能增强技术，包括高达 4MB 的共用 L2 快取存贮器，以及高达 1066 MHz的前端总线.....（注：以上取自Intel官方网站）最后，再回头看最前面那段广告词，是不是觉得没什么了？只不过点出CPU两个重要规格而已，这就是技术行销的真义：在产品广告里夹带一些看起来很厉害的名词.....下一篇难度将会更高一点，讲CPU的一些特殊功能，比如SSEVT等等，相当有趣，是深入了解CPU的一个机会
引文来源
看懂CPU规格，外频倍频快取_润轨迹_新浪博客----------------------------
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