关于计算机

CPU 的主频 & 功耗 & 散热

Q：为什么 CPU 主频提升的越来越慢呢？CPU 的主频是判断 CPU 性能的一个重要参数，主频越高工作效率越快，电脑运行速度也就更快。既然主频越高，速度越快，大力研发高主频的 CPU 就可以了，为什么现在的 CPU 频率最大不超过 5GHZ，而且大力做多核数 CPU 呢？

A：我们先了解晶体管功耗是如何计算的。静态功耗的就是常规的电压乘以电流，即 W=V x I。

而晶体管在做模拟信号的相互转换时会根据转换频率的高低产生动态功耗。

显然，频率越高，功耗就越大。

我们的半导体工艺一直在进步，目前甚至已经做到了 10nm，7nm 量产在即。根据登纳德缩放比例，工艺的提升，可以让晶体管们做的更小，导通电压更低，显然就弥补了频率提升带来功耗增加问题。但是我们的工艺并不是无休止境地提升，很快就会进入了一个长期的技术平台期，7nm 以后路将会十分艰辛。

而且晶体管尺寸缩小以后，静态功耗不减反增，带来了很大的热能转换，加之晶体管之间的积热十分严重，让 CPU 散热问题成为亟待解决的问题。散热做不好，CPU 寿命大大下降，而且目前普遍存在的动态频率技术，过热会让 CPU 处于最低工作频率，高频只是个装饰、是个笑话。

单纯提高 CPU 的时钟频率因为随之而来的散热问题已变得不再现实，毕竟我们不会无时无刻地使用液氮为 CPU 降温，所以 Intel、AMD 都很识趣地停止了高频芯片的研发，转而向低频多核的架构开始研究。

Conclusion：

1. 多核低频的多任务处理性能强。
2. 少核高频的单任务处理性能强。

当然具体还要看有些软件对于多核和少核的各自优化。优化好的，自然运行起来更加有优势。

内核 & 操作系统

内核是一个操作系统的核心，是操作系统最基本的部分。

内核指的是一个提供硬件抽象层、磁盘及文件系统控制、多任务等功能的系统软件。它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统等，决定着系统的性能和稳定性。

它是为众多应用程序提供对计算机硬件的安全访问的一部分软件，这种访问是有限的，并且内核决定一个程序在什么时候对某部分硬件操作多长时间。直接对硬件操作是非常复杂的，所以内核通常提供一种硬件抽象的方法来完成这些操作。硬件抽象隐藏了复杂性，为应用软件和硬件提供了一套简洁，统一的接口，使程序设计更为简单。

一个内核不是一套完整的操作系统。比如一套基于Linux内核的完整操作系统叫作Linux操作系统，或是[GNU/Linux]。

寄存器 & 缓存 & 内存

按与 CPU 的距离来分，离得最近的是寄存器，其次是缓存，最后为内存。

所以，寄存器是最贴近 CPU 的，而且 CPU 只从寄存器中进行存取！

（寄存的意思是暂时存放数据，它就是一个临时放数据的空间，类似于火车站的寄存处。）

而寄存器的数据又来源于内存。于是 CPU <--> 寄存器 <--> 内存。

这就是它们之间的信息交换关系。

那为什么有缓存呢?

因为如果总是操作内存中的同一址地的数据，就会影响传输速度。于是就在寄存器与内存之间设置了缓存。

缓存就把从内存提取的数据暂时保存在里面，如果寄存器要取内存中同一位置的东西，就不用老远地跑到内存中去取，直接从缓存中提取。因为从缓存提取的速度远高于内存。当然缓存的成本肯定也是远远高于内存的，否则计算机里就不需要内存了，只用缓存它不香吗？但如果全是缓存，相信没有几个人买得起计算机了 (╯￣Д￣)╯╘═╛。

现在我们再重新梳理一下四者之间的关系，同样按离 CPU 的距离：CPU <--> 寄存器 <--> 缓存 <--> 内存。

注意一个问题!寄存器并不是每次的数据都可以从缓存中取得，万一不是同一个内存地址中的数据呢?那寄存器就必须绕过缓存直接从内存中取数据。所以并不每次都得到缓存中取数据，这就是缓存的命中率。

从缓存中取就命中，不从缓存中取从内存中取，就没命中。当然关于缓存命中率又是一门学问，哪些留在缓存中，哪些不留在缓存中，都是命中的算法。这里不做赘述，感兴趣的小伙伴可以自己做相关的了解。

从经济和速度的综合考虑，又产生了一级缓存、二级缓存和三级缓存。当然它们的价位也是随着等级攀升的。

1. 一级最重要。

2. 二级缓存对 Intel 的 CPU 是很重要的，Intel 的 CPU 的二级缓存越大性能提升非常明显。虽然 AMD 的 CPU 二级缓存也很重要，但是其大小对 AMD 的 CPU 的性能提升并不明显。

3. 三级缓存其实只是做了辅助的作用，除了服务器，对大多数家庭机没什么用，内存还是很重要的，但如果运行大型程序或游戏来说三级缓存就显得重要了，目前新型 CPU 已经有三级缓存了。