为什么CPU不能做一个超强单核

CPU的的单核性能有多重要，这个不用再重复了，但是CPU的单核性能可以无限增加下去吗？回答这个问题之前，先说一个小故事吧。

很多年前VIA威盛还可以跟英特尔硬刚，那时候是Pentium 4时代，英特尔在CPU频率不断突破1GHz、2GHz、3GHz之后要做更高频率的CPU，放言称奔4频率上4GHz，后来就有了英特尔前任CEO巴瑞特下跪的一幕，因为英特尔在奔4时代并没有如承诺的那样推出4GHz高频的产品。

但是很多人不知道的是，4GHz并不是英特尔当时的最终目标，2001年的IDF会议上英特尔曾经表示奔4处理器可以上10GHz频率。如今18年过去了，这个目标一直都没实现，（硅基时代）可能永远都无法实现了。

这件事就能说明CPU频率不是想提升就提升的，奔4时代过去这么多年了，其实CPU的主流频率依然在4GHz左右，英特尔虽然在酷睿i7-8086K上首次实现官方5GHz频率，但绝大多数处理器日常使用的频率都没这么高，高负载下频率在4GHz出头就不错了。

制约单核性能超强的CPU出现的第一个问题就是频率无法大幅提升，而这个因素也跟现在的制程工艺有关，实质上是摩尔定律已经失效了，这个影响了半导体行业50年的金科玉律随着硅基芯片物理极限的到来已经失效了，从28nm节点之后其实就没有带来很大的性能改进了，而且功耗问题也越来越严重。

大家都知道理论上制程工艺越先进（制程数字越小），CPU性能会更高，功耗、发热会更低，但是实际上这个问题很复杂，CPU的功耗可以分为静态功耗（Static Power）及动态功耗（Dynamic Power），前者主要是漏电流引起的，制程越先进，漏电流又有增加的趋势，而动态功耗可以用1/2*CV2F这个公式来计算，F频率越高，动态功耗就越高。

为了上更高的频率，电压增加不可避免，但电压高了功耗也高了，总之静态功耗、动态功耗的存在就决定了CPU频率越高，功耗就会极速增加，将会严重影响处理器的性能表现，因为要降频。

说到这一点，英特尔的14nm工艺虽然被人调侃挤牙膏，但从技术上来说真的很牛了，从Skylake架构的第一代14nm到现在Coffee Lake的14nm++工艺，性能提升26%，或者功耗降低52%，在不改变基本结构的情况下这个成绩很难得。

制程工艺的放缓导致CPU频率不可能大幅提升，有很多人会想到那么有没有非常牛的CPU架构让IPC性能大幅提升呢？理论上这种思路是可以的，但是现实很残酷，CPU架构还是要服从半导体工艺物理定律的，没有先进的工艺，再好的CPU架构也不可能实现。

此外，即便不考虑工艺对CPU架构的影响，单纯说CPU架构的话，不论是X86还是ARM架构，在64位时代CPU单元不外乎就是ALU单元、缓存、I/O等子单元， 但是不论提升那部分单元，归根到底还是要算到晶体管数量上来，还要考虑提升导致的成本——这个成本不只是钱的问题，比如提升L1/L2/L3缓存可以提高性能，但是缓存占用的核心面积很大，而且还有命中率及命中惩罚的问题，不是随便加加单元就行的。

此外，CPU的内部还可以分为整数部分、浮点部分，前者对日常使用很重要，浮点性能对计算更重要，但CPU的浮点性能并不是日常所需的，所以大家普遍感觉不到这部分的提升。

公平地说，近年来CPU浮点单元的进步是符合题目所说的单核超强的要求的，因为从SSE到AVX到AVX2再到最新的AVX-512，CPU浮点性能是有大幅提升的。如英特尔所说：“借助多达两个512位融合乘加 （FMA） 单元，应用程序在512位矢量内的每个时钟周期每秒可打包32次双精度和64次单精度浮点运算，以及八个64位和十六个32位整数。因此，与英特尔高级矢量扩展 2.0（英特尔 AVX2）相比，数据寄存器的宽度、数量以及FMA单元的宽度都增加了一倍。”

但是前面也说了，CPU的浮点性能不是日常所需的，整数性能更加重要一些，但是整数单元性能提升就没这么明显了，导致很多人以为CPU架构多年来挤牙膏。