从程序员视角浅入浅出了解计算机硬件——CPU

前言

CPU是计算机中最复杂的电子器件（之一），承担着执行计算机程序中的指令、处理数据的核心任务，协调和控制计算机系统中的各个部件。简单来说，CPU就像是计算机的大脑，负责处理所有的数据和指令。
在正文开始前，让我们先思考以下几个问题：

1. CPU的执行速度有多快，时间级别是多少？
2. 服务器CPU的性能一定比消费级CPU强吗？

CPU简介

目前生产CPU的产家主要有Intel和AMD两家，Intel产品线分为赛扬、奔腾、酷睿、至强等；AMD 的产品线分为速龙、锐龙、线程撕裂者、霄龙等。根据面向用户的不同可以分为消费级和专业级。
Intel的酷睿和AMD的锐龙为常见的消费级CPU，酷睿产品线又分为i3、i5、i7、i9等型号，分别对应入门、中端、高端、旗舰；锐龙产品线分为R3、R5、R7、R9等型号，分别对应入门、中端、高端、旗舰。在各个型号中，又细分代数（系列），代数（系列）后还有子型号…具体命名格式可以看图1。

AMD常见的尾缀

这里需要注意的是，高端与低端的比较只有在同一代进行才有可比性。不同代数（系列）不能简单的通过型号来判断性能强弱。旧款的高端CPU不一定比新款低端CPU性能强，如i3-12100 不管是单核性能还是多核性能都优于i7-7700K，还拥有更低的功耗（图2）。

Intel的至强(Xeon)和AMD(EPYC)的霄龙，则是专业级CPU系列，用于服务器和高级工作站。关于这部分的CPU系列、型号、子型号、孙型号…，感兴趣的小伙伴可以自行搜索，规则跟消费级有所差别，但大抵相似。

CPU对比

图4是同一年2020年发布的专业级Xeon Sliver 4214R 和消费级Core i9-10900X，简单对比，似乎看不出专业级CPU有啥优势。这里只是将两个发布时期相近、价格相当的CPU进行对比。 i9-10900X是当年消费级的旗舰，而Xeon Sliver 4214R 只是银牌级别（Sliver ），在它之上还有金牌、铂金级别。两者的定位也不同，追求的目标也不同。
消费级CPU对用户使用场景进行了优化，多数应用对单线程的依赖较大，没有多线程优化，所以太多线程往往没有什么意义，还不如睿频高一些。
专业级CPU对服务器场景做了特殊优化，如在TDP极限下，尽可能加入更多核心而不是提高单核性能。支持超大内存，更多的内存通道，极大的扩展了内存带宽；支持ECC内存和RDIMM，数据安全性高。还其他的特点就不一一列举，总之，专业级追求高并发、稳定、安全。

CPU参数

我们以Core i9-14900K CPU为例，从官网我们可以看到各种各样的参数，包括基本要素、CPU 规格、内存规格、封装规格安等，我们这里可以把这个参数分为几类，像功耗、TDW是跟功率、散热相关；内存规格、扩展选项这些跟主板的支持的接口及传输协议相关，以上参数，如果是自己DIY主机的话，需要额外关注一下，避免买到不适合或者不兼容的配件。
在性能方面，我们主要关心的参数有核心架构、内核数、线程数、频率、缓存等。核心架构影响指令的执行效率；时钟频率指CPU每秒钟执行的周期数，通常用赫兹（Hz）表示；核心数代表CPU内部的处理核心数量，多核CPU能够同时处理多个任务；而缓存则是用于临时存储数据的高速存储器，有助于提高CPU的性能。

CPU性能指标

根据图6的CPU整体性能公式可知，性能主要受到频率(frequency)、IPC（Instruction Per Clock）每个时钟执行的指令数、核心数影响。因此，我们就可以知道牙膏厂（Intel）挤牙膏的基本方向了，今年提升一点频率，明年优化核心架构提升IPC、后年增加核心数…
这个公式表示的是CPU的整体性能，我们平常说的服务器的性能强，一般指的是整体性能，由于服务的CPU核心数都比较多，允许安装多个CPU，所以整体的性能很强，但单核性能不见得就比消费级CPU强。消费级CPU往往有更高的睿频，在某些使用场景下，CPU的单核性能更为重要，如玩游戏。

频率的单位为GHz，5GHz则表示CPU在1秒内能产生内数字脉冲信号5,000,000,000（50亿次）次。频率的倒数表示一个时钟周期，通过计算我们可以得知，5GHz的时钟周期是0.000,000,0002秒（0.2纳秒）。根据这些数值，我们可以大胆地猜想CPU的执行每次执行指令的时间应该是在纳秒级别。
核心架构影响着IPC，IPC表示在一个时钟周期内可以执行的指数，在频率一定的情况下，IPC越大则代表CPU的性能越强。
我们用程序员最熟悉的工作–送外卖来比喻，频率相当于是骑电动车的速度，而IPC相当于是送餐箱每次能放多少，速度越快，送餐箱单次装的越多，则表示我们送外卖的能力越强。
关于CPU的频率参数我可以从官方详情页或者是一些测试软件得知，如CPU-Z，关于IPC的数据就不好获取了，只能通过SPEC组织的基准测试，这个途径非常不适合小白（我）这也是我们在平常一般只关心频率，而不太注意IPC的原因。

CPU性能测试

我们通过实际的例子来测试频率对CPU性能的影响。
测试环境：i7-7700K 。
频率控制：控制处理器的电源管理（图8）来控制不同频率的高低。
关键数据：执行相同的代码，统计实际耗时。

public class Cpu {
    public static void main(String[] args) {
        long add = 0;
        long hz = 5_000_000_000L;
        long begin = System.nanoTime();
        for (long i = 0; i < hz; i++) {
            add += i;
        }
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println(end - begin);
        System.out.println(add);
    }
}

测试结果

从测试结果可以看出，在同其他条件相同的情况下，随着最大睿频的降低，时钟周期变得越长，代码的运行时间变得越长，单次平均执行时间也越长。

我们将以上代码放在服务器中执行，控制i7-7700K的电源来限制最高睿频，来对比测试服务器CPU的单核性能情况。
测试环境：Xeon Sliver 4212R、Core i7-7700K
频率控制：没权限、俺也不会 。
关键数据：执行相同的代码，统计实际耗时。

测试结果

从测试的结果来看，严谨地说我们不能得到任何结果，因为两者的频率没有一致，为啥不控制到一样的的频率，原因是CPU不听话，只能调到一个尽可能靠近的值。此外，两者的测试环境不一致，一个在Linux系统，一个在Window系统，两者也没有保证在空载的情况下测试，所以这个结果就图一乐。
粗略而又不太严谨地总结一下，Cascade Lake架构是新于Kaby Lake架构的，但从测试结果来看，新的架构偏高的的频率并没有使得Xeon Sliver 4212R的单核性能更强。这里我们已经把消费机CPU的睿频进行限制了，表现出的效果还是优于4212R。

总结

综上，我们可以得出结果，目前主流的CPU单次指令的执行时间为纳秒级别，消费级的单核能力比较强，专业级CPU总体性能比较强、稳定性高、安全性强。