細看電腦之芯（上）——從CPU-Z談起

我們總是習慣地用其處理器來描述電腦的檔次，從486、586、奔騰，到現在的i5、i7，這些處理器的名稱總是位於電腦廣告最顯眼的位置、是賣場吆喝最響亮的一聲，也是消費者第一眼關注和第一聲詢問的答案。儘管處理器對電腦來說如此重要，但如果問用戶這些所謂的處理器分代和檔次到底有何區別？相信絕大部分人只知道它們的性能不同、價格也不同，卻並不瞭解為何它們會擁有不同的性能和價格，更不要說頻率、功耗、線程等同樣代表著處理器能力指標，以及為此而凝結在這些小小芯片當中的，目前人類最高超的智慧和最精細的生產工藝。

作為如此重要的計算機“大腦”，雖然很難理解，但處理器的詳細情況也是用戶們非常關心的，所以CPU-Z這款非常小巧，但能夠為我們提供處理器及其周邊一些詳細規格數據的軟件，就成為了很多用戶，乃至測試人員的最愛。我們不妨就以這款大家最熟悉的處理器規格測試軟件中提供的規格和數據，來詳細瞭解一下處理器吧。

以上的三張圖分別是CPU-Z對目前最常見的三種處理器，即英特爾臺式處理器、AMD臺式處理器以及英特爾筆記本處理器給出的典型規格數據，下面我們就根據它提供的信息，逐條來解釋一下吧。

○ 名稱

這一欄中的信息其實就是我們最常用的處理器名稱，當然前面提到的486、586一類老處理器，現在已經基本絕跡了，我們目前最常見的處理器主要是英特爾的酷睿（Core）、奔騰（Pentium）、賽揚（Celeron）系列和AMD的APU、FX、Athlon（速龍）系列。

● 英特爾

英特爾的PC處理器雖然有多個系列，但核心類似，只是通過內部調整，如頻率、緩存、線程等方式，讓這些處理器呈現出比較明顯的性能差別，適合其定價和市場需求。從名稱基本可以看出英特爾處理器的定位以及檔次，酷睿處理器主要面向中高端市場，性能和價格檔次由低到高分為i3、i5、i7以及衍生的至尊版、至強E系列，他們同樣通過頻率、緩存、線程的不同進行區分，其中最便宜的酷睿i3零售價格也要800元左右，i5一般1200元起，i7價格在2200元以上。兩款衍生產品中，至強E可以看作是酷睿i7的低頻無顯卡版，因此價格較低，介於i5與i7之間，而酷睿i7至尊版當然就是增強極限版，價格在3000元以上。

奔騰（圖4）處理器的價格在400～500元，目標主要是一些對性能要求不高的用戶，用於辦公學習、影音娛樂，甚至應對一些主流網遊都完全沒有問題。賽揚作為傳統的低端入門級處理器，價格可下探至200元，性能當然也更低一些，只能用於辦公學習和影音娛樂等最基礎的應用。

曾經是英特爾處理器代表的“奔騰”這一品牌，在“酷睿”處理器出現後本來已經逐漸淡出，現在又一次被推出作為主流偏低端處理器產品的品牌

除了名稱外，CPU-Z辨識出的桌面處理器都帶有數字編號以精確標示其型號，而移動版處理器的數字編號卻顯示在“規格”欄中，這可能與移動版處理器經常會根據筆記本電腦廠商的需求進行定製有關。在處理器的數字編號中，第一位數字是表示分代，例如酷睿i5 6XXX就是比酷睿i5 4XXX更新的產品；後三位則是其等級，例如酷睿i5 6600的性能與價格就高於酷睿i5 6500。有些處理器在數字編號之後會帶有字母識別符號，如圖1中的“K”表示這款處理器是可超頻產品，這些數字識別符號在移動版產品中更多見，都會在下面的“規格”欄中有所體現。

● AMD

AMD的幾款處理器核心比較混亂，而且相當個性化。其面向高端的FX處理器和麵向低端的Athlon採用類似的核心，同樣以不同的頻率、緩存來針對不同的市場價位段和用戶群體，總體來說，FX處理器的價位在600元以上，而Athlon處理器的價格在600元以下。APU是一種比較特殊的處理器，它的CPU核心能力一般，但內置顯示核心比較強大，性能幾乎相當於500元甚至更高價位的獨立顯卡，低端產品完全可以運行主流網遊，高端型號甚至可以玩一些高端單機遊戲。APU也並非是與FX或Athlon處理器進行市場價位分割的產品，更多的是以用戶實際需求分割市場，其價位涵蓋了250元到千元級別，無論是低端還是主流用戶，都可以享受到APU提供的處理器與較強顯示核心的融合體驗，特別適合一些追求簡潔的PC設計。

AMD處理器的具體型號同樣用數字標示，且數字含義，甚至是字母識別符號都與英特爾類似，例如圖2中型號數字後的“K”同樣表示這款處理器可超頻（圖5），所以這裡就不再贅述了。

AMD還為可超頻處理器準備了專門的黑色包裝，所以其可超頻處理器又被稱為黑盒處理器

○ 代號

我們前面已經提到，同一代處理器經常會有多款型號採用類似的核心設計，但頻率、緩存、線程不同，形成不同價位和市場的產品，要確認這些產品是否基於同一核心，就可以看CPU-Z提供的核心代號。有時處理器還會有另一種開發代號，用於架構等命名，與CPU-Z提供的核心代號並不相同，此時會出現同架構處理器，核心代號並不相同的情況。

在核心代號的命名方式上，英特爾和AMD目前的主流產品各有特色，英特爾大量採用地名，例如最近的Skylake和Kaby Lake。AMD使用工程機械如“Piledriver”（打樁機）作為處理器架構的開發代號，而最終產品則採用地名作為代號，例如FX系列處理器的核心代號“Vishera”（維舍拉河）和APU的核心代號“godavari”（哥達瓦里河）等。

○ TDP

TDP是熱設計功耗（Thermal Design Power）的簡稱，主要是其發熱能力的參考指標，指的是處理器在滿負荷時可能會達到的最高發熱量，散熱器必須保證在處理器達到TDP的時候，能夠讓處理器的溫度保持在安全範圍內。當然這也就是說處理器的發熱量並非一直和TDP數值相等，特別是在目前處理器性能過剩、處理器功耗管理又很受廠商重視的情況下，處理器一般任務的處理器如果無需滿負荷工作，就會自動降低電流、電壓，甚至關閉不使用的線程、核心等半導體區域，所以在大多數應用和時間之內，處理器的發熱量是低於TDP數值的。

另外要注意的是，TDP也不代表處理器的實際功耗，在處理器中，除了最終以熱量方式散發出來的能量，還有一部分能量因為推動電子等做功方式而消耗掉了，以此為參考選擇散熱器是可以的，但要選擇電源時，對處理器的供電能力必須高於TDP標稱值。

○ 插槽

將處理器連接和固定在主板上使用，就是插槽的作用。為了保證信號與能量的傳輸，處理器和插槽必須帶有相應的接觸方式，如圖1和圖2所示，目前英特爾和AMD臺式機處理器各自選擇了不同的接觸方式，即LGA和Socket。

LGA的全稱為land grid array（柵格陣列封裝），處理器下方以整齊排列的金屬圓點作為接觸點。LGA插座帶有下壓式的安裝扣具（圖6），可以讓處理器上的金屬圓點和插座上的彈性針腳緊密接觸，從而與主板連成一體。英特爾採用LGA接口的各代處理器，在接口設計上略有區別，觸點數從最初的775（LGA775），到最新產品的LGA1151，經過了多次變化，進入智能酷睿時代後，雖然處理器的觸點數量和排列有差別，但尺寸、封裝厚度等變化不大（圖7），所以近幾代處理器的扣具和風扇兼容能力不錯。

不同代智能酷睿觸點對比

Socket本身就是插座的意思，這一類型的處理器接口底部帶有針腳，插入底座預留的對應孔內，並從側面夾緊。AMD臺式機處理器中，高端的FX處理器採用的是Socket AM3+接口，而APU和Athlon都採用Socket FM2+接口，均有900個以上的針腳（圖8），在使用和安裝時一定要小心保護這些非常密集而又比較纖細的針腳。

雖然英特爾在臺式機處理器中從Socket接口轉向了LGA接口，但並不說明LGA接口就比Socket接口更先進，它除了更適合英特爾的處理器架構外，更多的考慮應該和當年的Slot接口一樣，還是為了專利保護。從圖3可以看到，在這款英特爾的移動版處理器採用了FCBGA（flip chip ball grid array倒裝芯片網格焊球陣列）接口（圖9），也就是直接焊接在主板上的模式，畢竟筆記本電腦並不適合DIY和升級，對處理器拆裝能力的需求非常低，但對連接牢固性的要求更高一些。

FCBGA接口

○ 工藝

這裡的工藝是指的半導體上的刻線能力（圖10），因為半導體上的線路製造方式實際上是在硅片上先進行整面覆膜，再通過光敏化學藥劑進行光蝕“挖掉”金屬覆膜的無用部分，露出硅片製造的，所以製造的精密度一般就是指的光蝕能達的精細度。而且實際製造中只有部分刻線會用到標註工藝的最小寬度，金屬線路的寬度以及很多露出硅片的刻線寬度是大於標稱值的。其實對於處理器的製造來說，涉及到的各種工藝技術非常多，例如目前比較熱的三維晶體管（Tri-Gate）技術，可以讓金屬線路進行交叉（圖11），節約了面積，減少了處理器所需的層數，同時加快了速度。

目前英特爾的製造能力已經達到了14nm，也有部分老式處理器採用的是22nm工藝，並且很可能在2017年內發佈10nm工藝製造的處理器。AMD由於已經沒有自己的生產廠，需要臺積電等半導體廠商代工生產處理器，因此生產工藝受制於人，因為臺積電生產工藝的落後，目前主流AMD處理器仍採用28nm生產工藝，也許在2017年內可以在處理器上應用14nm左右的生產工藝。

○ 核心電壓

核心電壓當然就是驅動處理器核心運轉的電壓，隨著技術的進步，這一電壓不斷下降。需要注意的是，我們提供的幾張圖片中，核心電壓均非實際驅動電壓，這和我們前面提到的功率自動調整能力，因為在使用CPU-Z測試時並非進行滿負荷工作，所以處理器會自動降低電壓以降低功耗。

當然不同產品的核心電壓也是有明顯區別的，例如圖3這樣的低功耗處理器，其最高核心電壓也較低。另外對於圖1中的可超頻處理器，我們在超頻時如果希望其運行更穩定，常常採取提升核心電壓的手段。

○ 規格

規格可以看作是處理器的具體描述，除了型號之外還標註了頻率，可以辨識處理器的實際使用情況，如圖3那樣的超低電壓處理器也將名稱標註在這裡，大概是因為這種處理器的規格比較複雜，也可能因為廠商定製等原因有頻率的差異吧。

也許是因為APU中的顯示核心特別重要，佔據了一半甚至更多的芯片面積（圖12），所以在APU的規格中沒有提供頻率信息，但比較詳細的標註了其內置顯示單元的信息。我們可以發現APU規格欄的最後，將其核心數量標註為處理器核心+顯示單元核心的方式，這是基於AMD異構計算（讓圖形處理核心參與通用計算）的想法。異構計算可以讓多核心但計算能力較弱的GPU去進行重複性高而相對簡單的計算，而計算能力較強但核心數量較少的CPU核心進行一些複雜計算，大幅加快處理速度（圖13），但至今為止，支持這一計算模式的軟件仍然比較少。

APU中顯示核心佔據的芯片面積和比例都非常大

異構計算測試中CPU和GPU計算所佔的比例

我們還可以看到英特爾處理器在Intel和Core（酷睿）之後都有商標標誌，而AMD及其產品並沒有相應標誌，不知道AMD是未進行相關商標註冊還是實在心大，完全不在乎。

○ 系列、型號、步進

這一系列規格與廠商的產品規劃和製造有關，和大部分用戶沒有太大關係，當然如果特別小心的話，可以考慮購買步進數比較大的產品，這說明廠商對產品或製造過程進行修改的次數，一般來講數字越大，產品自身的設計和製造過程的問題越少。

○ 指令集

指令集可以看作是硬件與軟件交流的語言，最基礎的指令集是RISC（Reduced Instruction Set Computer精簡指令集計算機）和CISC（Complex Instruction Set Computer複雜指令計算機）。RISC重視指令的簡單和單純性，例如採用等長指令，所以指令數也較少，因此處理器結構簡單，一些常用功能處理效率很高，但一些複雜功能需要多指令組合完成，效率會有明顯下降；CISC則直接使用豐富的指令系統，可以直接完成特定工作，但也造成了語言本身和處理器較為複雜。目前兩種指令集及相應處理器有一些互相學習，所以分野已經不是那麼明顯。

對目前的個人PC處理器來說，通用語言應該是x86指令集，即符合英特爾處理器x86架構的指令集。x86指令集是一種CISC指令集，但在處理器內部已經普遍採用效率更高的RISC指令，處理器在輸入輸出時會自動進行編譯。

我們可以看到，由於PC處理器對基礎指令集的支持毋庸置疑，所以CPU-Z中標註的指令集其實是“擴展指令集”，類似於我們除了日常語言之外，在各個學科中學到的專用詞彙，例如最早出現的擴展指令集MMX（MultiMedia eXtensions多媒體擴展）就是針對當時個人計算機普遍用於多媒體處理而推出的，包括視頻、音頻等加速能力的專用指令集。要支持這些指令集，就要在處理器內部佈置專用的模塊進行處理或“翻譯”為標準指令。在這些擴展指令集中，最重要的是EM64T（或x86-64）指令集，即讓處理器支持64位處理的指令集，它大大擴展了軟件的能力、效率以及對內存等硬件的支持能力，已經成為了目前和未來軟硬件發展的重要基礎之一，而這一指令集來自AMD。

處理器發展史上，出現過4位處理器、8位處理器、16位處理器、32位處理器和64位處理器，它們的“位數”究竟表示什麼意思呢？這些數字表示一個時鐘週期裡，這款處理器可以接收和處理的二進制代碼數目。二進制代碼僅有0和1兩種狀態，8位處理器有8條線路，每個時鐘週期可接受8個電信號（8bit），因為8位恰好是1個字節（1Byte），因此之後的處理器架構升級，均以8位為階梯。隨著8位處理器上升至64位處理器，每個時鐘週期可接受的字節數也從1個發展到8個，帶來的是處理器運算能力的倍增。當然，由32位處理器轉向64位並不會讓用戶在實際應用中感受到雙倍的速度，但是，它卻預示著一個更加燦爛的應用前景。64位處理器的優勢不僅在其處理能力方面，而且對於整個系統來說，也有相當大的進步。當數據存放在內存中時，每位地址編號越多表示同時存貯的信息量越大。地址數和處理器的位數密切相關，32位的尋址能力僅有4GB，而64位則可以支持到16TB（180億GB）的內存。不過這需要有相應的64位操作系統支持。另外，64位處理器可以在較低的頻率下實現較高的性能，在功耗、製造難度等方面於32位處理器相比，有明顯的優勢。

其實在個人計算機準備進入64位時代時，英特爾曾考慮將為服務器市場開發的IA-64（Intel Architecture 64，英特爾64位架構）架構（圖14）引入個人消費市場，但它需要應用全新的指令集，而且是一種純64位架構，與以往的32位x86指令集（IA-32）和RISC指令集都不兼容，儘管理論上可以運行32位程序，但需要使用“模擬器”方式，運行效率非常低下。而EM64T是x86架構的一種64位內存擴展技術，可以正常運行已有的32位和16位程序，與IA-64處理器有著本質的區別，而且由於之前AMD K8處理器（圖15）的成功，已經得到了微軟等消費軟件廠商的支持。雖然有一些自創的指令，但英特爾的64位擴展指令集EM64T和AMD的x86-64區別其實並不大，只是英特爾不太願意承認使用了AMD如此重要的指令集而已。至於AMD方面，由於自己的定位關係，所以並不介意支持英特爾的開放式指令集，如SSE、AVX等，這也使得目前兩家的處理器在軟件兼容上不會出現什麼問題。

基於IA-64架構的服務器處理器安騰

首款64位個人處理器K8

○ 時鐘：核心速度、倍頻、總線速度

時鐘實際上是指的目前處理器的運行頻率，由於現在的處理器都是多核設計，在負載較輕的時候會關閉一些用不到的核心，所以這裡特別標註這些數據是基於第一個核心（編號為0）的。從第一個數據中，由於負載較輕，所以即使是最基礎的一個核心，其頻率也大幅調低至800MHz（圖1,2）～1700MHz（圖2），從倍頻後的括號中，我們可以看到這款處理器實際支持的倍頻數。

由於處理器運行中，其總線負責與周邊進行通信，為了保證信號傳輸的穩定性以及與周邊配件的兼容性，所以無論高負載還是低負載，處理器的總線頻率是不會有變化的。處理器的總線頻率是來自於頻率發生器並進行信號重整，由於頻率發生器不一定特別準確，所以常常造成總線頻率及核心頻率不會特別精確。

因為目前的處理器將內存控制器、PCI-E控制器等大量周邊控制功能集成在內部，因此變動總線頻率不僅對處理器有影響，也明顯影響周邊配件的穩定性，對於不提供倍頻調節功能的鎖頻處理器，我們不建議通過調節總線頻率進行超頻。

如果希望瞭解所有核心的運行狀況，我們可以點擊CPU-Z主頁面下部，工具按鍵旁的三角圖標，選擇“時鐘”，即可看到所有核心、內存、主板、顯卡目前的運行頻率信息（圖16）。

○ 緩存：一級數據、一級指令、二級、三級

在處理器工作的時候，會有大量數據和指令不斷地輸入輸出，而處理器的速度與周邊配件速度有巨大差異，處理器內部各部分之間的速度也不一定相等，所以需要有高速的存儲單元對一些數據進行暫時存儲。一般來講一級緩存主要用於核心內部產生的數據暫時存儲，例如我們前面提到的處理器RISC核心和CISC編譯器之間，如果出現了速度偏差，那麼已經編譯完畢等待進入核心進行處理，或者已經處理完畢等待輸出的數據、指令，都可以存儲在一級緩存內，另外一些處理過程中出現的數據如果需要多次調用，或者需要等待其他數據一起處理、輸出等，也可以存儲在一級緩存內。AMD的二級緩存較大，可以暫存更多的數據，可以提前將需要處理的數據裝入緩存，或者暫存處理完的數據等待周邊配件取用，儘量減少臨時從周邊配件中調取數據的情況，可以平衡處理器和周邊配件的速度差距。英特爾處理器的二級緩存稍小一些，用來存儲更重要的數據，但設置了更大的三級緩存，也可以解決速度差距的問題，同時也用於和內置的核顯交換數據（圖17）。

由於緩存設計的不同，我們可以看到多種配置方式，例如英特爾處理器為每個核心配置一級、二級緩存，三級緩存由整個處理器共同使用（圖18），而AMD則為每個核心配置一級數據緩存，為每個核心群組配置一級指令緩存和二級緩存，且一級指令緩存和一級數據緩存的容量不同。

CPU-Z還為緩存的具體信息專門設置了一個界面，從其中可以看到更詳細的描述，特別是其最後一列——“多路緩存”的詳細情況（圖19），此圖為圖3中酷睿i7-7500U處理器的緩存具體數據，可以看到其一級緩存採用8路集相聯、二級緩存採用4路集相聯、三級緩存採用16路集相聯，也就是說被分為可以獨立存取、清除的8塊或4塊，每塊緩存如果出現問題或者需要清除數據，不會影響到其他緩存塊中的數據。另外其一二三級緩存都採用了64byte的存儲單位，即小於這一尺寸的數據也要佔用一個存儲單位，而大於這一尺寸的數據則要佔用多個存儲單位。

○ 核心、線程數

目前多核心處理器已經成為市場的主流，多核心處理器是在一個處理器上有多個計算核心。早期的多核心處理器是在處理器上安裝多個芯片，而目前的多核心處理器則是將多個計算核心直接設計並製造在一個硅片上。

CPU-Z提供的線程數包括了虛擬線程，即用一個物理核心同時處理多個任務的能力，看作是一種虛擬的多核心。目前英特爾在高端處理器中引入了虛擬雙倍線程技術，可以用一個物理核心同時處理兩個任務，如圖1中擁有4個物理核心的桌面版酷睿i7有8個線程，而圖3中擁有2個物理核心的移動版酷睿i7有4個線程。AMD預計會在2017年內引入多線程技術，不過之前的產品只支持多核心，並不支持虛擬線程，例如圖2中的APU有4個核心，能同時使用的線程也只有4個，其最高端的FX處理器也要使用8個真正的物理核心，才能獲得媲美酷睿i7的8線程處理能力。

○ 主板、內存、SPD、顯卡、測試

CPU-Z還有幾個頁面，可以查看一些電腦的基本信息，這些信息均與處理器關係非常密切，例如圖1中處理器的如下相關界面。

在主板頁面中（圖20），我們可以瞭解到主板的製造商，主板型號（模型）、芯片組信息、LPC接口芯片（LPCIO，用於一些連接一些低速設備）生產商，以及BIOS信息、圖形接口信息。

在內存頁面中（圖21），可以詳細瞭解內存的容量、速度、運行方式等基本信息，而SPD頁面（圖22）則可查詢每個位置的內存條的具體信息如廠商、序列號，甚至包括預置的可用頻率等信息。

目前的大多數主流處理器都內置了顯示核心，APU更是非常重視內置顯示單元的配置，並且擁有較強的3D顯示性能。這些顯卡的具體情況可以從顯卡頁面（圖23）看到，當然如果安裝有獨立顯卡，我們也可以選擇，CPU-Z同樣能給出其較具體的規格參數（圖24）。

CPU-Z也提供了簡單的性能測試和穩定度測試功能，其中性能測試結果還可以與一些典型處理器的單核、多核性能進行對比（圖25）。

○ 總結

作為半導體工業最高端產品之一的處理器，相關信息遠不止我們上面提到的這些，但對一般消費者來說，CPU-Z提供的信息已經足夠作為選購、使用、優化的參考。與CPU-Z類似的軟件還有一些，它們各有特色，感興趣的用戶也可以選擇使用。