主频和架构哪个对CPU性能的影响更重要?

最近,我经常被问这个问题,“主频和架构哪个对CPU性能的影响更重要?”。相信大多数PC机的经销商都有这样的经历,被用户问到类似的问题。特别是市场上,不同厂商不同架构的CPU都同时在销售的时候,用户当然会有这样的困惑。补充一点,文中的架构是指CPU的微架构,不是指计算机系统的架构。


其实,主频和架构对CPU性能的影响同样重要,不能够割裂这两个因素来评估CPU的性能。
主频很容易理解,类似于速度,对于同一种架构的CPU,当然是主频越高CPU的速度就越快。
但是,如果CPU的架构不一样,只看主频,基本上无法判断CPU 性能的优劣。那么架构是什么?对于大多数用户比较陌生,是个比较晦涩的技术术语,即使听说过,也可能被懂行的技术人员用更多晦涩的技术术语解释得更像“云里雾里”。
架构一词源于英文“architecture”的翻译,它的原意是建筑,建筑学,设计及构造的方式和方法。这个词应用于处理器(CPU)是指处理器内部各个运算部件的有序安排和构造,达到设计的和谐统一,使之在运行时协调一致达到高效率。在计算机教科书上比较多的翻译成“体系结构”,“体系架构”或者“系统结构”。
先进的架构可以使CPU在单位是时间内执行更多的指令,也就是完成更多的任务。因此,不同架构的CPU如果只看主频,是无法知道性能的高低的。一般来说,越先进的CPU架构,在单位时间内可以执行的指令数和处理数据的数量就越多。
我在之前的一篇博客“为什么微处理器要从单核转向多核?”使用了如下的公式:
处理器(CPU)性能 = 主频 x IPC
IPC就是每个时钟周期内可以执行的指令数(IPC: Instruction Per Clock),CPU架构的更新换代直接影响和提高的是IPC值,当然制造工艺和架构对主频的影响也是关联的。另外,并行计算也是直接提高IPC的途径,这也是现在为什么主流CPU从单核转向双核,将来转向四核,和更多核。
英特尔在2006年第 4 季度双核产品就已经超过了单核产品

双核处理器已经是英特尔量产的主流处理器
如果把主频和架构综合起来考虑,为了让大家更容易理解,我以百米运动员赛跑为例。主频相当于百米选手的步频,架构类比于步幅。所以大家可以看到:
1. 步幅一样大(架构相同),步频快的选手跑的快。
2. 步频一样快,步幅大(架构先进)的选手跑的快。
3. 步频也快,步幅也大,选手成为世界百米飞人也就不是天方夜谭了。
因此,大家在选择CPU关注性能问题时,要同时考虑架构的先进性和主频。最后,先进的芯片制造工艺是保证先进架构实现和达成高主频的基础。

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19 Responses to 主频和架构哪个对CPU性能的影响更重要?

  1. 周鹏 says:

    在过去的英特尔与其对手的竞争中,常常被人提到对手的架构先进于英特尔,但是在制造工艺上与主频上,现在的英特尔架构则要先进得多{自当初迅驰平台上的延伸,或者说来自最初对laptop(便携式)上的架构,而对手的制造工艺落后于英特尔}在未来的多核中我们看见了英特尔决定重新领先,但同时出现的CPU+GPU的概念,不知道英特尔会有什么看法

  2. 周鹏 says:

    英特尔在竞争中,常提到的架构先进性的问题,在制造工艺上与主频上,英特尔先进得多。在未来多核中英特尔依然领先,当下出现的CPU+GPU的概念,英特尔会有什么看法?

  3. feel says:

    看来均衡(balance)是个永久而具有挑战性的话题。主频和架构的动态均衡,带来真正强大的产品。支持LZ举例说法的风格~~

  4. 赵军 says:

    周鹏,你好!
    硅芯片工艺的精髓就是我们常说的“4-3-2-1”原则,集成电路集成电路,顾名思义,只要工艺不断更新换代,就可以在同样面积的硅晶粒上蚀刻出一倍的晶体管(摩尔定律)。原来的4个芯片变成了3个芯片,再集成到2个芯片中…
    386 时代,处理器内部没有浮点单元,但是有分离的数学协处理器387,就是386主板上还预留了插387芯片的插槽。
    386+387 变成什么了呢? 486,一个486 = 386+387 集成到一起了。
    所以能够把更多晶体管和处理器单元集成到一起的厂商,将来的CPU+GPU 方案,如果市场需要,我相信英特尔不会慢于别人。
    英特尔目前的所有GPU方案都是放在芯片组的北桥里,已经很多年了,技术和工艺已经相当成熟。将来是否会采用CPU+GPU方案,集成更强的GPU方案到处理器芯片上,这个还是要看最终用户是否认可。大家拭目以待吧,最终用户说了算。

  5. PentiumIII says:

    其实也未竟然,毕竟现在有谁可以说自己的架构是最先进的呢?先进只是相对,就好像多少年前P4替代PIII一样,总觉得既我无法让单周期的效率更进一步提供(Cisc的限制)那么就弄个频率更高的产品把,希望通过频率来提升总体性能。
    以Core架构为例,这确实在现阶段算是一个比较强势的架构,单IPC效率确实也很高,单这并不说明其就是未来的唯一出路。在未来架构无法再进一步提升IPC了呢?那自然主频还是需要优先发展的。
    至少从英特尔未来的发展来看,架构更新的几率很小,要改进也只是小规模的改进,而提升频率则再次成为一个重要发展的方向,只是多核时代频率提升远比单核时代复杂,因此英特尔要走的路还很长。

  6. PentiumIII says:

    CPU+GPU的模式真就如此吸引人?难道同时整合RAM?还是内嵌eDRAM呢?既然同显存之间的数据交换还是没有太大的效率提升,那么CPU+GPU的模式并不能代表更强的GPU性能,到是GPU可以协助CPU处理一些数据,但这似乎也是背离了初衷。
    CPU+GPU其实最大的优势似乎在于减少系统组件,降低系统成本,毕竟在一个晶体管数量有限的芯片上(CPU+GPU不可能做得非常大,因为这样将会让功耗进一步提高,且成本大幅度攀升),而AMD所谓的CPU+GPU高效率性其实就是一种误导。
    我觉得比较好的模式就是可以借助于音频Coedc的模式,让多核处理器专门开辟一部分对图形计算特别优化的部分来对图形运算进行加速,同时配合外部的显示芯片来提升效率,因为这样可以很好的兼顾到本地显存的优势,同时也可以让总体系统的造价降低。

  7. 王军 says:

    说真的,我需要低能耗的处理器,我总是选择同系列里主频最低的.不是为了超频,而是为了更低的能耗,能低的噪音.
    我认为,主频虽然非常重要,但是架构如果设计不合理,高主频的优势,就被抵消.还会带来一系列副作用.我的赛扬D和奔腾D两台机器,共同的问题,就是高能耗,高功率,高发热,高噪音.让我非常苦恼.
    不过,很高兴,intel能认识问题,积极改善产品,引进新的技术,为客户创造良好的工作生活环境.

  8. 赵军 says:

    Pentium III, 你好!
    架构本来就会影响主频,Pentium 4架构的超长流水线,对于提高主频是个非常好的设计思路。Pentium 4在后期之所以不能继续提高主频,并不是架构本身做不到,更主要的原因还是功耗的原因。
    新一代的架构都比旧一代的架构先进,这个很显然。酷睿(Core)架构里面除了许多创新,它的微架构里面可以看到Banias架构及其后续更新架构的许多优秀设计(Banias是第一代迅驰平台笔记本处理器采用的架构),当然还有Pentium 4的Netburst 架构的优秀设计,例如,指令和数据预测器就是Netburst 架构的优秀设计之一,被运用到酷睿架构中。
    关于你的第二个问题,提高IPC除了靠架构,将来的方向之一就是多核。文中我也提了一下。
    至于你说“英特尔未来的发展,架构更新的几率很小,要改进也只是小规模的改进”。这个论断值得商榷,我们在IDF(英特尔信息峰会)上提到了将来架构更新换代的计划和步调。2007年改良酷睿架构,采用45纳米,但是在2008年我们会推出Nehalem 新架构,2009年改良Nehalem架构,采用32纳米的新工艺,2010年又推出新架构Sandy Bridge。只要使用模式和用户对性能的增长的需求没有止境,我们架构更新的步伐就不会放慢和停止。
    我们的计划是让CPU能效(不光是性能)在将来的五,六年内有10倍,甚至更快的增长。

  9. 赵军 says:

    Pentium III, 你好!
    谢谢你发了这么多的帖子。
    目前我们看到摩尔定律继续有效,所以在同样面积的硅晶粒集成一倍,2倍…的晶体管数量并不是难题,所以不会限制CPU+GPU 做得过大的问题。
    你讲的其他方面,我都赞同,如散热,降低PC系统的设计成本,节约能耗,等等。CPU+GPU表明了一个可以尝试的设计思路。使用模式、市场和用户是否接受还有待市场验证。
    本来就是条条大道通罗马,创新科技就是要鼓励更多的观点和设计思路,如果把自己钉在框框里,否则就会限制创新。

  10. fengxn says:

    “步频一样快,步幅大(架构先进)”
    感觉这话有点怪啊,难道架构的先进特性就不能体现在高频上?工艺之外获得大幅提升的频率难道就不可以是种先进的表现?毕竟理论上,一条流水线填满后一个时钟就可以走出一条指令嘛。

  11. fengxn says:

    同时还想问一下,CPU+GPU比起芯片组+GPU又能有多少优势?

  12. 赵军 says:

    Fengxn, 你好!
    这是举例子,主要是为了说明不要唯主频论。你说到的主频高、架构先进,就是例子的第3种情况。
    主频和架构同样重要,而且它们之间也不是没有任何关联的,工艺也会影响主频和架构这两个因素。

  13. 赵军 says:

    CPU+GPU和芯片组+GPU 方案相比的性能优劣与否,主要还是要看微架构设计的合理性,各个运算单元不要存在瓶颈。

  14. 周鹏 says:

    怎么说呢?puma的架构初衷是为了提高内核效能,英特尔将会在新一代45纳米制程的整合内存控制器,而北桥的整合入CPU中应该在双方竞争中都不会有多大的问题,英特尔会不会被对手的行为产生错觉,目前借助自身完整的芯片组,可实现先进无线的远程管理,可不可以认为英特尔是在全力推动自有的无线技术,围绕着它来完成现有的战略部署?而多核的发展会不会最后在制程上终结,65-45-32-16-…~end?
    提到市场,我想说如果对手稍在制造工艺上出忽预料的改进,它可能会给迅驰带来严重的威胁。
    至于桌面,多核之争刚刚开始~~通用计算的竞争出现了三足鼎立A~I~N

  15. fengxn says:

    再提个问题,Larrabee到底是以什么为目标?Intel是真的想切入GPU市场还是以通用流处理器为研发方向?

  16. chantao says:

    其实当前的市场格局,占有率最高的GPU不是ATI也不是NV,而是intel的整合显示核心。intel的整合芯片组肯定要继续下去,所以显示核心的研发也要继续下去。CPU与GPU的整合的优势也许会在速度上显示出来,但是计算机的瓶颈又何止这一个,难道未来要把硬盘也整合进CPU吗(也许有可能)。个人认为,计算机技术就是在瓶颈与消除瓶颈之间不断进步的。

  17. Anonymous says:

    Chan Tao, 你好!
    就计算机系统架构而言,大家的设计思路都是要尽可能消除瓶颈,但是因为不同部件的技术和成本的考虑,所以折衷的方案就会造成瓶颈。
    以你讲的硬盘瓶颈为例,就存储容量而言,单位GB的成本,还是硬盘最好。现在有速度更好的方案,如用闪存芯片做成的固态硬盘,随着技术的成熟,价格的降低,这种新存储设备在将来会占据现在硬盘的位置,把硬盘挤到下一级存储。固态硬盘可以消减目前内存和硬盘之间的瓶颈,毕竟固态硬盘是电子开关,而不是受限于硬盘机械操作的速度。

  18. 刘桥 says:

    你好,我想问一下.因特尔生产的CPU怎么查真伪?
       我买了3个因特尔的CPU(E6300,E4300,Q6600)我现在不知道怎么查真假。

  19. 冯宇 says:

    无意中翻到了两年多前的这篇文章。~~现在GPU,北桥已经统统都整合进去了