计算机组成 - 性能指标：通过 CPU主频谈谈性能究竟是什么

计算机组成 - 性能指标：通过 CPU主频谈谈性能究竟是什么

目录

• 计算机组成 - 性能指标：通过 CPU主频谈谈性能究竟是什么
  • 1. 性能 = 1 / 响应时间
  • 2. 计算机的计时单位：CPU 时钟
  • 3. 如何提升计算机性能
    • 3.1 摩尔定律：从 80 年代开始 CPU 主频一路飙升
    • 3.2 功耗：CPU 的人体极限
    • 3.3 阿姆达尔定律：多核时代的到来

计算机组成原理目录：https://www.cnblogs.com/binarylei/p/12585607.html

1. 性能 = 1 / 响应时间

• 响应时间（Response time）或者叫执行时间（Execution time）
• 吞吐率（Throughput）或者带宽（Bandwidth）

2. 计算机的计时单位：CPU 时钟

上文我们提到，使用执行时间(Wall Clock Time 或者 Elapsed Time)来衡量性能的指标。但是直接使用执行时间，有以下两个问题。

• 执行时间不准。现代计算机往往同时运行多个程序，CPU 在切换，因此这个时间通常都不能反应单个任务的执行时间。并且程序往往还需要从网络、硬盘去读取数据，这个时间也需要剔除。
• 执行时间依赖设备的性能。设备主频越高性能越好，如 Intel Core-i5-8250U 1.6GHz / Intel Core-i7-7700HQ 2.8GHz。

所以，就有以 CPU 时钟为最小单位计算程序 CPU 执行时间的方法。

程序的 CPU 执行时间 = CPU 时钟周期数 × 时钟周期时间
                 
CPU 时钟周期数 = 指令数 × 每条指令的平均时钟周期数
程序的 CPU 执行时间 = (指令数 × CPI) × 时钟周期时间

程序 CPU 执行时间各参数如下：

• 时钟周期时间(CPU Cycle)：就是计算机主频(Frequency/Clock Rate)，主频越高性能越好，这个取决于计算机硬件。我们所熟知的摩尔定律就一直在不停地提高我们计算机的主频。

  比如 2.8GHz，我们可以先粗浅地认为，CPU 在 1 秒时间内，可以执行的简单指令的数量是 2.8G 条。更准确一点描述是，这个 CPU 时钟周期(CPU Cycle)就是 1/2.8G。

• 每条指令的平均时钟周期数(Cycles Per Instruction，简称 CPI)：就是一条指令到底需要多少 CPU Cycle。不同的指令需要的 Cycles 是不同的，加法和乘法都对应着一条 CPU 指令，但是乘法需要的 Cycles 就比加法要多，自然也就慢。

  在后面讲解 CPU 结构的时候，我们会看到，现代的 CPU 通过流水线技术（Pipeline），让一条指令需要的 CPU Cycle 尽可能地少。因此，对于 CPI 的优化，也是计算机组成和体系结构中的重要一环。

• 指令数：代表执行我们的程序到底需要多少条指令、用哪些指令。这个很多时候就把挑战交给了编译器。同样的代码，编译成计算机指令时候，就有各种不同的表示方式。

我们对于“响应时间”这个性能指标进行抽丝剥茧，拆解成了计算机时钟周期、CPI 以及指令数这三个独立的指标的乘积，并且为你指明了优化计算机性能的三条康庄大道。也就是，提升计算机主频，优化 CPU 设计使得在单个时钟周期内能够执行更多指令，以及通过编译器来减少需要的指令数。

3. 如何提升计算机性能

从 80 年代开始，CPU 的主频按照摩尔定律一路飙升。但到了 21 世纪，单核 CPU 的主频很难提升，硬件工程师转向多核 CPU 的设计。

• 摩尔定律：提升 CPU 主频，每 18 个月 CPU 的主频会翻一番。
• 阿姆达尔定律：多核 CPU，并行计算。

3.1 摩尔定律：从 80 年代开始 CPU 主频一路飙升

上文讲 CPU 的性能时，我们提到了这样一个公式：

程序的 CPU 执行时间 = 指令数 × CPI × Clock Cycle Time

如果要提升计算机的性能，我们可以从指令数、CPI 以及 CPU 主频这三个地方入手。要搞定指令数或者 CPI，乍一看都不太容易。于是，研发 CPU 的硬件工程师们，从 80 年代开始，就挑上了 CPU 这个“软柿子”。在 CPU 上多放一点晶体管，不断提升 CPU 的时钟频率，这样就能让 CPU 变得更快，程序的执行时间就会缩短。

于是，从 1978 年 Intel 发布的 8086 CPU 开始，计算机的主频从 5MHz 开始，不断提升。1980 年代中期的 80386 能够跑到 40MHz，1989 年的 486 能够跑到 100MHz，直到 2000 年的奔腾 4 处理器，主频已经到达了 1.4GHz。但我们也可以看到，2019 年的最高配置 Intel i9 CPU，主频也只不过是 5GHz 而已。相较于 1978 年到 2000 年，这 20 年里 300 倍的主频提升，从 2000 年到现在的这 19 年，CPU 的主频大概提高了 3 倍。

图1：CPU 主频在奔腾 4 时代陷入瓶颈期

3.2 功耗：CPU 的人体极限

其实，当时已经基本垄断了桌面 CPU 市场的 Intel 更是夸下了海口，表示奔腾 4 所使用的 CPU 结构可以做到 10GHz，但最终却失败了。奔腾 4 的主频为什么没能超过 3.8GHz 的障碍呢？答案就是功耗问题。

答案就是功耗问题。什么是功耗问题呢？我们先看一个直观的例子。一个 3.8GHz 的奔腾 4 处理器，满载功率是 130 瓦。这个 130 瓦是什么概念呢？机场允许带上飞机的充电宝的容量上限是 100 瓦时。如果我们把这个 CPU 安在手机里面，不考虑屏幕内存之类的耗电，这个 CPU 满载运行 45 分钟，充电宝里面就没电了。而 iPhone X 使用 ARM 架构的 CPU，功率则只有 4.5 瓦左右。

如果想要提升 CPU 主频，无论是下面这两个操作都会增加功耗，带来耗电和散热的问题。

1. 增加密度：同样的面积里面，多放一些晶体管；
2. 提升主频：让晶体管“打开”和“关闭”得更快一点。

在 CPU 里面，能够放下的晶体管数量和晶体管的“开关”频率也都是有限的。一个 CPU 的功率，可以用这样一个公式来表示：

功耗 ~= 1/2 × 负载电容 × 电压的平方 × 开关频率 × 晶体管数量

功耗增加太多，就会导致 CPU 散热跟不上，这时，我们就需要降低电压。这里有一点非常关键，在整个功耗的公式里面，功耗和电压的平方是成正比的。这意味着电压下降到原来的 1/5，整个的功耗会变成原来的 1/25。

事实上，从 5MHz 主频的 8086 到 5GHz 主频的 Intel i9，CPU 的电压已经从 5V 左右下降到了 1V 左右。这也是为什么我们 CPU 的主频提升了 1000 倍，但是功耗只增长了 40 倍。比如说，Surface Go 轻薄笔记本上，微软就是选择了把电压下降到 0.25V 的低电压 CPU，使得笔记本能有更长的续航时间。

3.3 阿姆达尔定律：多核时代的到来

在 Intel 努力将奔腾 4 处理器的主频提升到 10GHz 时，Intel 的对手 AMD 却多核 CPU 上大获成功，更是代表着“主频时代”的终结。

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