【硬件】认识和选购多核CPU

2.1 认识和选购多核CPU

CPU在电脑系统中就像人的大脑一样，是整个电脑系统的指挥中心，电脑的所有工作都由CPU进行控制和计算。它的主要功能是负责执行系统指令，包括数据存储、逻辑运算、传输控制、输入/输出等操作指令。CPU的内部分为控制、存储和逻辑3大单元，各个单元的分工不同，但组合起来紧密协作，所以其具有强大的数据运算和处理能力。

2.1.1 通过外观认识多核CPU

中央处理器（Central Processing Unit，CPU）既是电脑的指令中枢，也是系统的最高执行单位。CPU主要负责指令的执行，作为电脑系统的核心组件，在电脑系统中占有举足轻重的地位，是影响电脑系统运算速度的重要部件。图2-1所示为Intel CPU的外观。

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图2-1 Intel CPU的外观
从外观上看，CPU主要分为正面和背面两个部分，由于CPU的正面刻有各种产品参数，所以也称为参数面；CPU的背面主要是与主板上的CPU插槽接触的触点，所以也被称为安装面。

• 防误插缺口：防误插缺口是CPU边缘上的半圆形缺口，它的功能是防止在安装CPU时，由于方向错误造成损坏。
• 防误插标记：防误插标记是CPU一个角上的小三角形标记，功能与防误插缺口一样，在CPU的两面通常都有防误插标记。
• 产品二维码：CPU上的产品二维码是Datamatrix二维码，它是一种矩阵式二维条码，其最小尺寸是目前所有条码中最小的，可以直接印刷在实体上，主要用于CPU的防伪和产品统筹。图2-2所示为AMD CPU参数面上的产品二维码。
  
  图2-2 产品二维码

2.1.2 确认CPU的基本信息

确认CPU的信息对于认识和选购CPU产品非常重要，通过查看CPU的基本信息，可以了解CPU的品牌、型号、频率、核心、缓存等详细的产品规格参数，有助于选购CPU和辨别CPU的真伪。CPU的基本信息通常是通过软件进行检测并确认的，也可以通过Windows操作系统检测并确认。

• 通过Windows操作系统确认：Windows操作系统安装后需要检测电脑系统的硬件，可以查看CPU的基本信息。方法是单击“开始”按钮，在弹出的“开始”菜单的“电脑”选项上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“属性”命令，打开“系统”窗口，在“系统”栏中即可查看CPU的基本信息，如图2-3所示。但这种方式只显示CPU的处理器号和频率信息。
  
  图2-3 操作系统中的CPU信息
• 通过CPU专业测试软件确认：目前市面上CPU产品主要有Intel（英特尔）和AMD（超威）两大品牌，针对这两个品牌的CPU产品都有专业的产品信息检测软件。检测Intel的CPU产品通常使用Intel（R） Processor Identification Utility软件，如图2-4所示。检测AMD的CPU产品通常使用CPU-Z软件，如图2-5所示。另外，CPU-Z软件同样可以对Intel的CPU产品进行检测，如图2-6所示。
  
  图2-4 Intel CPU测试软件
  
  图2-5 AMD CPU测试软件
  
  图2-6 CPU-Z测试Intel CPU
• 通过专业电脑硬件防护软件确认：确认CPU信息的软件还可利用专业电脑硬件防护软件。这类软件可以检测电脑中的各种硬件，显示详细的产品信息，并按照产品规格安装对应的驱动程序；还可以对这些硬件进行性能测试，在硬件运行过程中对其运行状态进行实时监控。最具代表性的软件就是鲁大师，如图2-7所示。
  
  图2-7 鲁大师确认CPU信息

2.1.3 利用处理器号区分CPU的性能

处理器号就是CPU的生产厂商为其进行的编号和命名，通过不同的处理器号，就可以区分CPU的性能高低。CPU的生产厂商主要有Intel、AMD、VIA（威盛）和龙芯（Loongson），市场上销售的主要是Intel和AMD的产品，所以，CPU的处理器号主要分为两种类型。

微课：常见CPU理论性能对比

• Intel（英特尔）：全球最大的半导体芯片制造商，从1968年成立至今已有40多年的历史，目前主要有奔腾（Pentium）双核、酷睿（Core）i3、i5、i7、凌动（移动CPU）等系列的CPU产品。图2-8所示为Intel公司生产的CPU，其处理器号为“Intel酷睿i5-3570K”，其中的“Intel”代表公司名称；“酷睿i5”代表CPU系列；“3570K”中，“3”代表它是该系列CPU的第三代产品，“570”代表CPU的处理主频和酷睿超频后的主频高低，也有可能代表了CPU内部集成的显卡芯片的等级高低，“K”代表该CPU没有锁住倍频。
  
  图2-8 Intel 酷睿 i5-3570K
• AMD（超威）：成立于1969年，是全球第二大微处理器芯片供应商，多年来，AMD公司一直是Intel公司的强劲对手。目前主要产品有闪龙（Sempron）、速龙（Athlon）、速龙Ⅱ、羿龙（Phenom），APU A4、A6、A8、A10和A12系列，以及推土机（AMD FX）系列等，图2-9所示为AMD公司生产的CPU，其处理器号为“AMD速龙Ⅱ X4 730”，其中的“AMD”代表公司名称；“速龙Ⅱ”代表CPU系列；“X4”代表它是4核心的产品；“730”代表CPU的型号。
  
  图2-9 AMD速龙Ⅱ X4 730
  根据Intel和AMD CPU处理器号的命名规则，通常情况下，在同一厂商的处理器号中，后面代表主频的数字越大，频率越高，集成显卡的芯片等级越高，图2-10为目前常见的CPU默认频率的性能对比图，也是平常所说的性能天梯图。
  
  图2-10 常见CPU理论性能对比

2.1.4 睿频技术提升CPU的频率

CPU频率是指CPU的时钟频率，简单地说就是CPU运算时的工作频率（1秒内发生的同步脉冲数）的简称。CPU的频率代表了CPU的实际运算速度，单位有Hz、kHz、MHz和GHz。理论上，CPU的频率越高，在一个时钟周期内处理的指令数就越多，CPU的运算速度也就越快，CPU的性能也就越高。
CPU实际运行的频率与CPU的外频和倍频有关，其计算公式为：实际频率＝外频×倍频，这个频率通常也被称为主频。

• 外频：外频是CPU与主板之间同步运行的速度，即CPU的基准频率。外频速度高，CPU就可以同时接收更多来自外设的数据，从而使整个系统的运行速度提高。
• 倍频：倍频是CPU运行频率与系统外频之间的差距参数，也称为倍频系数，在相同的外频条件下，倍频越高，CPU的频率就越高。
• 睿频：这是一种智能提升CPU频率的技术，是指当启动一个运行程序后，处理器会自动加速到合适的频率，而原来的运行速度会提升10%~20%以保证程序流畅运行的技术。Intel品牌CPU的睿频技术叫做TB（Turbo Boost），AMD品牌CPU的睿频技术叫做TC（Turbo Core），图2-11所示为Intel CPU的睿频广告，该CPU基本频率为4.0GHz，但最大睿频率为4.2GHz。
  
  图2-11 CPU睿频广告

2.1.5 8核CPU的性能优势

CPU的核心又称为内核，是CPU最重要的组成部分，CPU中心那块隆起的芯片就是核心，是由单晶硅以一定的生产工艺制造出来的，CPU所有的计算、接收/存储命令和处理数据都由核心完成，所以，核心产品的规格会显示出CPU的性能高低。8核CPU是指具有8个核心的CPU，体现CPU性能的且与核心相关的参数主要有以下几种。

• 核心数量：过去的CPU只有一个核心，现在则有2个、3个、4个、6个或8个核心，这归功于CPU多核心技术的发展。多核心是指基于单个半导体的一个CPU上拥有多个一样功能的处理器核心，即是将多个物理处理器核心整合入一个核心中。并不是说核心数量决定了CPU的性能，多核心CPU的性能优势主要体现在多任务的并行处理，即同一时间处理两个或多个任务，但这个优势需要软件优化才能体现出来。例如，如果某软件支持类似多任务处理技术，双核心CPU（假设主频是2.0GHz）可以在处理单个任务时，两个核心同时工作，一个核心只需处理一半任务就可以完成工作，这样的效率可以等同于是一个4.0G主频的单核心CPU的效率。

知识提示
多核心CPU的性能对比
目前，Intel CPU的核心数量最多为6核，AMD CPU的核心数量最多为8核。可以说在同一个品牌的CPU中，在相同主频的情况下，核心越多，CPU性能越强。

• 线程数：线程是CPU运行中的程序的调度单位，通常所说的多线程是指可通过复制CPU上的结构状态，让同一个CPU上的多个线程同步执行并共享CPU的执行资源，可最大限度提高CPU运算部件的利用率。线程数越多，CPU的性能也就越高。但需要注意的是，线程这个性能指标通常只用在Intel的CPU产品中，如Intel酷睿三代i7系列的CPU基本上都是8线程和12线程的产品。
• 核心代号：核心代号也可以看成CPU的产品代号，即使是同一系列的CPU，其核心代号也可能不同。比如Intel的就有Trinity、Sandy Bridge、Ivy Bridge、Haswell、Broadwell和Skylake等；AMD的有Richland、Trinity、Zambezi和Llano等。
• 热设计功耗（TDP）：TDP（Thermal Design Power）是指CPU的最终版本在满负荷（CPU利用率为理论设计的100%）可能会达到的最高散热量。在TDP最大的时候，散热器必须保证CPU的温度仍然在设计范围之内。随着现在多核心技术的发展，同样核心数量下，TDP越小，性能越好。目前的主流CPU的TDP值有15W、35W、45W、55W、65W、77W、95W、100W和125W。

知识提示
TDP值与实际功耗的关系
CPU的核心电压与核心电流时刻都处于变化之中，因而CPU的实际功耗（功率P＝电流A×电压V）也会不断变化，因此TDP值并不等同于CPU的实际功耗，更没有算术关系。由于厂商提供的TDP数值肯定留有一定的余地，对于具体的CPU而言，TDP应该大于CPU的峰值功耗。

2.1.6 纳米CPU的制作工艺

CPU的制作工艺（也叫做CPU制程）直接关系到CPU的电气性能，密度愈高，意味着在同样大小面积的电路板中具有更复杂的电路设计。现在主流CPU的制作工艺为45nm（纳米）、32nm、22nm和14nm。
CPU的制作工艺是指CPU内电路与电路之间的距离，趋势是向密度更高的方向发展，密度愈高的电路设计，意味着在同样大小面积的产品中，可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。CPU制作工艺的纳米数越小，同等面积下晶体管数量越多，工作能力越强大，相对功耗越低，更适合在较高的频率下运行，所以也更适合超频。
下面简单介绍一下CPU制作工艺的流程。

1. 硅提纯：生产CPU等芯片的材料是半导体——硅Si。在硅提纯的过程中，原材料硅将被熔化，并放进一个巨大的石英熔炉。这时向熔炉里放入一颗晶种，以便硅晶体围着这颗晶种生长，直到形成一个几近完美的单晶硅。
2. 切割晶圆：硅锭被整型成一个完美的圆柱体，接下来将被切割成片状，称为晶圆。晶圆才真正用于CPU的制造，通常晶圆切得越薄，相同量的硅材料能够制造的CPU成品就越多。
3. 影印：在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻物质，紫外线通过印制着CPU复杂电路结构图样的模板照射硅基片，被紫外线照射的位置光阻物质溶解。
4. 蚀刻：使用短波长的紫外光透过石英遮罩的孔照在光敏抗蚀膜上，使之曝光；然后停止光照并移除遮罩，使用特定的化学溶液清洗掉被曝光的光敏抗蚀膜，以及在下面紧贴着抗蚀膜的一层硅；最后，曝光的硅将被原子轰击，使得暴露的硅基片局部掺杂，从而改变这些区域的导电状态，以制造出CPU的门电路。这一步是CPU生产过程中的重要操作。
5. 重复、分层：为加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷光阻物质，重复影印、蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。重复多遍，形成一个3D的结构，这才是最终的CPU的核心。每几层中间都要填上金属作为导体，层数决定于设计时CPU的布局以及通过的电流大小。
6. 封装：将晶圆封入一个陶瓷或塑料的封壳中，越高级的CPU封装越复杂，也能带来芯片电气性能和稳定性的提升，并能间接地为主频的提升提供坚实可靠的基础。
7. 多次测试：测试是CPU制作的重要环节，也是一块CPU出厂前必要的考验。这一步将测试晶圆的电气性能，以检查是否出了什么差错以及这些差错出现在哪个步骤，通常每个CPU核心都将被分开测试，在将CPU放入包装盒前都还要进行最后一步测试。图2-12所示为CPU的晶圆和晶圆中的CPU核心。
   
   图2-12 CPU晶圆

2.1.7 缓存对CPU的重要意义

缓存是指可进行高速数据交换的存储器，它先于内存与CPU进行交换数据，速度极快，所以又称为高速缓存。缓存大小是CPU的重要性能指标之一，而且缓存的结构和大小对CPU速度的影响非常大。CPU缓存的运行频率极高，一般是和处理器同频运作，工作效率远远大于系统内存和硬盘。
CPU缓存一般分为L1、L2和L3。当CPU要读取一个数据时，首先从L1缓存中查找，若没有找到再从L2缓存中查找，若还是没有则从L3缓存或内存中查找。一般来说，每级缓存的命中率都在80%左右，也就是说全部数据量的80%都可以在一级缓存中找到，由此可见L1缓存是整个CPU缓存架构中最为重要的部分。

• L1缓存（Level 1 Cache）：也叫一级缓存，位于CPU内核的旁边，是与CPU结合最为紧密的CPU缓存，也是历史上最早出现的CPU缓存。由于制造一级缓存的技术难度和制造成本最高，提高容量所带来的技术难度和成本增加非常大，所带来的性能提升却不明显，性价比很低，因此一级缓存是所有缓存中容量最小的。
• L2缓存：也叫二级缓存，主要用来存放电脑运行时操作系统的指令、程序数据和地址指针等数据。L2缓存容量越大，系统的速度越快，因此Intel与AMD公司都尽最大可能加大L2缓存的容量，并使其与CPU在相同频率下工作。
• L3缓存：也叫三级缓存，分为早期的外置和现在的内置，实际作用是进一步降低内存延迟，同时提升大数据量计算时处理器的性能。降低内存延迟和提升大数据量计算能力对运行大型场景文件很有帮助。

多学一招
L1、L2、L3缓存的性能比较
在理论上，三种缓存对于CPU性能的影响是L1>L2>L3，但由于L1缓存的容量在现有技术条件下已经无法增加，所以L2和L3缓存才是CPU性能表现的关键，在CPU核心不变化的情况下，增加L2或L3缓存容量，能使CPU性能大幅度提高。现在，在选购CPU时，标准的高速缓存通常是指该CPU具有的最高级缓存的容量，如具有L3缓存就是L3缓存的容量。图2-13所示的“8MB处理器高速缓存”是指该款CPU的L3缓存的容量。

图2-13 CPU的高速缓存

2.1.8 不同的CPU接口类型

CPU需要通过某个接口与主板连接才能进行工作，经过这么多年的发展，CPU采用的接口类型有引脚式、卡式、触点式、针脚式等。而目前CPU的接口类型都是针脚式接口，对应到主板上有相应的插槽。

微课：查看CPU接口类型
CPU接口类型不同，其插孔数、体积、形状都有变化，所以不能互相接插。目前常见的CPU接口类型分为Intel和AMD两个系列。

• Intel CPU：包括LGA 2011-v3、LGA 2011、LGA 1151、LGA 1150、LGA 1155，图2-14所示为不同类型的Intel CPU接口。
  
  图2-14 Intel CPU的不同接口
• AMD CPU：其接口类型多为插针式，与Intel的触点式有区别，包括Socket AM3+、Socket AM3、Socket FM2+、Socket FM2、Socket FM1，图2-15所示为不同类型的AMD CPU接口。
  
  图2-15 AMD CPU的不同接口

2.1.9 处理器显卡增强显示性能

处理器显卡（也称为核心显卡）技术是新一代的智能图形核心技术，它把显示芯片整合在智能CPU当中，依托CPU强大的运算能力和智能能效调节设计，在更低功耗下实现同样出色的图形处理性能。
在处理器中整合显卡，大大缩短了处理核心、图形核心、内存及内存控制器间数据的周转时间，有效提升了处理效能，并大幅降低了芯片组的整体功耗，有助于缩小核心组件的尺寸。通常情况下，Intel的处理器显卡会在安装独立显卡时自动停止工作；AMD的APU在Windows 7及更高版本操作系统中，如果安装了适合型号的AMD独立显卡，经过设置，可以实现处理器显卡与独立显卡混合交火（意思是电脑进行自动分工，小事让能力小的处理器显卡处理，大事让能力大的独立显卡去处理）。目前Intel的各种系统的CPU和AMD的APU系列中都有整合了处理器显卡的产品。

2.1.10 内存控制器与虚拟化技术

内存控制器（Memory Controller）是电脑系统内部控制内存，并且通过内存控制器使内存与CPU之间交换数据的重要组成部分。虚拟化技术（Virtualization Technology，VT）是指将单台电脑软件环境分割为多个独立分区，每个分区均可以按照需要模拟电脑的一项技术。这两个因素都将影响CPU的工作性能。

• 内存控制器：决定了电脑系统所能使用的最大内存容量、内存Bank数、内存类型和速度、内存颗粒数据深度和数据宽度等等重要参数，也就是决定了电脑系统的内存性能，也会对电脑系统的整体性能产生较大影响。所以，CPU的产品规格应该包括该CPU所支持的内存类型。图2-16所示为一款i7 CPU支持的内存类型。
  
  图2-16 CPU支持的内存
• 虚拟化技术：虚拟化方式有传统的纯软件虚拟化（无需CPU支持VT技术）和硬件辅助虚拟化（需CPU支持VT技术）两种。纯软件虚拟化运行时的开销会造成系统运行速度减慢，所以，支持VT技术的CPU在基于虚拟化技术的应用中，效率将会明显比不支持硬件VT技术的CPU的效率高出许多。目前CPU产品的虚拟化技术主要有Intel VT-x、Intel VT和AMD VT 3种。

多学一招
在Windows 7/10中运用VT技术的意义
CPU的VT技术用于提升Windows 7/10的兼容性，可以让用户运行基于Windows XP等以前操作系统开发的软件。