為什么現(xiàn)在CPU主頻還那么低？

現(xiàn)在的主頻數(shù)據(jù)可以說已經(jīng)很不錯(cuò)了，雖然當(dāng)年intel在04年的時(shí)候就雄心勃勃的說要發(fā)布超過4.0GHZ主頻的CPU的時(shí)候，可是到了后來也只是將主頻做到了3.8GHZ的高度，這都十幾年過去了現(xiàn)在默認(rèn)睿頻最高能到5.0的CPU雖然也有發(fā)布，但是價(jià)格對(duì)于普通消費(fèi)者來說的確很不親民，i9-9900KS，睿頻可以高達(dá)5.0ghz。下面是近幾年發(fā)布的幾款CPU，基本上默認(rèn)頻率大都還是在3.6的樣子，當(dāng)然在睿頻的情況下大部分都能超過4.0了，這已經(jīng)很好的成績(jī)了。

曾經(jīng)記得在8代以前真正上4.0GHZ的CPU也就是從4790K開始的，我們知道想要提高CPU的運(yùn)算效能，不能夠簡(jiǎn)單通過堆砌內(nèi)核的方式。那么能不能簡(jiǎn)單提高CPU主頻，讓CPU每個(gè)內(nèi)核更快的算出結(jié)果呢？為什么持CPU制程牛耳的Intel，不再勇攀主頻高峰了呢？其實(shí)，瓶頸主要在于散熱，尤其是在制程技術(shù)還停留在目前的14nm情況下想要主頻達(dá)到更高的水平可以說是非常困難的。

從含有1億4000萬個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET的奔騰4到高達(dá)80多億的Kabylake，你想想幾十億個(gè)晶體場(chǎng)效應(yīng)管堆砌到一塊，可以想想那時(shí)一個(gè)多么燙的核心。場(chǎng)效應(yīng)管在低電平的時(shí)候需要充電進(jìn)行反轉(zhuǎn)，到高電平，然后高電平還要到低電平，從高到低的過程實(shí)際是一個(gè)方能的過程，單個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管單獨(dú)反轉(zhuǎn)一次釋放的能量是非常小的，但是如果以1GHZ的頻率，也就是1秒內(nèi)要反轉(zhuǎn)十億次，那么在這1秒內(nèi)這釋放的熱量就比較可觀了，然后你再看看一個(gè)CPU內(nèi)部要集成這么幾十億個(gè)晶體管，那么這帶來的熱量是不是更可怕。

從圖示中，也許你可以直觀的看出，能耗和頻率是正相關(guān)的。這個(gè)理解很正確，實(shí)際上能耗和頻率成線性相關(guān)。能耗關(guān)系公示是p=CV2F。P代表能耗。C可以簡(jiǎn)單看作一個(gè)常數(shù)，它由制程等因素決定；V代表電壓；而f就是頻率了。理想情況，提高一倍頻率，則能耗提高一倍?？雌饋聿⒉皇謬?yán)重，不是嗎？但實(shí)際情況卻沒有這么簡(jiǎn)單。

接著上面的公式我們?cè)賮碛懻撓聻槭裁磳?shí)際情況沒有那么簡(jiǎn)單。就是當(dāng)晶體管在工作的時(shí)候從高低跳變從而產(chǎn)生我們的0和1，也就是當(dāng)高電平的時(shí)候是1，低電平的是0，既然需要這么個(gè)過程，那么晶體管在充電和放電的過程當(dāng)中就有個(gè)充電時(shí)間，這個(gè)充電時(shí)間，稱之為門延遲，就是邏輯門延遲。這個(gè)充放電的過程后再采樣信號(hào)，這樣才能保證信號(hào)的完整度，這個(gè)充放電時(shí)間直接和電壓相關(guān)，既電壓越高，充電時(shí)間越短。那么如果我們這個(gè)時(shí)候提高頻率的會(huì)造成一個(gè)現(xiàn)象，就是反轉(zhuǎn)的速度會(huì)跟不上，那么采集的數(shù)字信號(hào)的完整度就有問題，從而造成計(jì)算機(jī)計(jì)算錯(cuò)誤。那么這個(gè)時(shí)候?yàn)榱俗尫崔D(zhuǎn)變快只能提升電壓來提高頻率了，只有通過增加電壓讓反轉(zhuǎn)速度增快，才能讓整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定下來。

好了這個(gè)時(shí)候我們?cè)賮砜纯垂荆绻麊渭兊脑黾宇l率的確是能耗只能提高一倍，但是你看電壓可是平方的關(guān)系，這樣的結(jié)果就是當(dāng)提高頻率的同時(shí)還要提高電壓的平方，然后再相乘，這時(shí)候你就知道這個(gè)耗能簡(jiǎn)直是呈幾何數(shù)量增長(zhǎng)，多嚇人。

那么功耗大大提升后，帶來的就是熱密度提高非?？?，在功耗提升后，單位芯片的面積是固定的，從而熱密度提高很快，現(xiàn)有散熱設(shè)備短時(shí)間內(nèi)排不出這么多熱量，就會(huì)造成死機(jī)等現(xiàn)象，這就是為什么我們?cè)诔l的時(shí)候在加壓情況下，為了讓CPU能夠穩(wěn)定的運(yùn)行需要一個(gè)散熱性能非常好的散熱器了，同時(shí)，超頻之后的電能消耗也是非常大的。

總結(jié)：因此在沒有強(qiáng)勁的散熱情況下超頻，是對(duì)CPU的一種殘酷摧殘，想要CPU能夠穩(wěn)定運(yùn)行官方的默認(rèn)頻率是最保險(xiǎn)的一種方式。可以預(yù)見的是如果在現(xiàn)在以硅基材料為主的CPU制造技術(shù)下，在熱密度因素之下，CPU想要提升更高的主頻是很難做到的。除非是能做出一種超級(jí)散熱器能夠隨時(shí)帶走大量的熱量，這樣也許可以強(qiáng)行提高電壓降主頻提升起來。但是從近幾年的架構(gòu)來看，提升CPU的性能也不是簡(jiǎn)單的提升主頻就是提升性能，流水線的深度優(yōu)化也是性能提升的關(guān)鍵，殊不知在同樣頻率之下CoffeeLake 3.8G的CPU相比奔騰4的3.8G，Benchmark跑下來效能提高了十幾倍，而功耗反倒下降不少！這就是說不一定非要單純的提升主頻才能提升CPU的性能。當(dāng)然我整篇文章的解釋同時(shí)也回答了題主提出的問題關(guān)鍵，這也就是為什么都這么多年了，主頻依舊停留在了3.幾GHZ了。