CPU 在整个计算机硬件中、技术体系中都算是最最重要的东西了。在 10 月 16 号的时候,Intel 正式发布了第 14 代的酷睿处理器。但很多同学看不懂这种发布会上发布的各种 CPU 参数。
今天借着这个时机,从 CPU 硬件相关的技术细节切入,来深入地讲讲 CPU 的型号规则、代际架构与微架构方面的知识,带领大家更好地认识 CPU。
在本文中,我以手头有一台之前用过的 ThinkPad x270 的笔记本电脑举例。在这台电脑中的 CPU 型号是 Intel(R) Core(TM) i5-7200U CPU @ 2.50GHz 2.71 GHz
。那么这个型号字符串中都隐含了哪些技术信息呢?接下来,我们以这个型号为切入点,深入地了解个人 PC 电脑中 CPU 硬件相关的技术点。
一、Intel 的 CPU 型号规则
无论是哪家 CPU 厂商,为了更好地管理自己生产的众多型号的产品,也为了能更好地让消费者对自己家的产品快速地了解,都会定义一套产品规则。对于 Intel 来说,它的命令规则大致如下:
Intel 把 CPU 的编号分成了品牌标志、品牌修饰符、代际编号、SKU、产品线后缀五个部分。接下来我们分别展开对这五个部分来了解。
第一部分是品牌标志。最最常见的 x86 CPU 品牌包括 Intel 和 AMD 两家公司。而 Intel 又面向不同的市场需求,包括凌动、赛扬、奔腾、酷睿、至强等多个子品牌。
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酷睿(CORE)、赛扬(CELERON)、奔腾(PENTIUM)都是应用在家用 PC 电脑上的品牌。其中奔腾和赛扬这两个品牌已经算作是历史了。奔腾在 1992 年推出,之后在很长一段时间里是 PC 家用电脑的主流。赛扬是 1998 年时为了和 AMD 竞争低价市场推出的产品,可以理解为缩水版的奔腾。酷睿是 2006 年推出,直到现在仍然是 PC 电脑里的主流品牌。
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凌动(Atom)主打省电和低功耗,主要用在手机平板等设备上。是的,Intel 也是做过手机 CPU 的,但因为功耗问题在竞争中被 arm 架构各家处理器厂商打败,在 2016 年后逐渐退出市场。
第二部分是品牌修饰符。这个部分是为了区分处理器的市场定位的,一般来说同一年代生产的 CPU 中, i3 i5 i7 i9 的性能是依次递增的,分别代表着低端、中端和高端的定位。
第三部分是 CPU 的代际编号。这一部分有可能是一位数字,也有可能是两位的数字。在我们举例的这颗 CPU 上,代际编号是 “7”。这个代际编号对应的是 Intel 于 2016 年推出的内部代号为 “Kaby Lake” 的 CPU 架构。一般来说,CPU 代际编号越大,则代表架构推出的时间点越新,单核的性能也会更好。关于 “Kaby Lake” ,后面我们还会单独介绍。
第四部分是 SKU 编号。这是 CPU 厂商为了方便对所有的产品进行库存管理而制定的编号。这类似于超市里商品的条形码、图书的 ISBN 号,方便查询和管理产品的库存量。一般来说,这个值也是越大性能越好,但不绝对。
第五部分是产品线后缀。在笔记本电脑中,H 代表的是高性能、U 系列代表的是较低功耗、Y 系列代表的是极低的功耗。在台式机中,X 代表的是最高性能、K 代表的是高性能、T 代表的是功耗优化。
关于型号规则大家也可以参考 Intel 的官网介绍(https://www.intel.cn/content/www/cn/zh/processors/processor-numbers.html)。
现在我们再回头来看一下我们开头提到的 CPU,Intel(R) Core(TM) i5-7200U CPU
。这里面包含的含义就是,这是一个 Intel 的酷睿子品牌的 CPU,i7 代表着中高端,代际编号是 7,这个代际的处理器架构是 2016 年发布的采用的 Kaby Lake 架构生产的。SKU 编号是 200。产品线后缀的 U 代表的是低功耗,比较省电,同时也就代表着性能并不是最强的。
再看最新的发布的酷睿 CPU 型号有,Intel(R) Core(TM) i9-14900K
、Intel(R) Core(TM) i7-14700K
、Intel(R) Core(TM) i5-14600K
等几款 CPU。这里面也表示了还是属于 Intel 酷睿子品牌下的产品。i9、i7、i5 分别代表着每个 CPU 的档次。14 代表的是代际。900、700、600 属于 SKU 编号。
二、CPU 的代际
前面在看到 Kaby Lake 的时候,肯定很多小伙伴都会表示看不懂这是什么意思,所以这里专门准备一个小节来解释下。
前面我们提到每个 CPU 型号中都包含了一个代际编号。比如第 7 代、第 8 代,就在 2023 的 10 月 16 日,已经更新到了第 14 代。
这个代际代表的 CPU 的生产年份不同、生产工艺不同、架构设计的不同。各个代际除了这个数字的编号外,还会有一个英文代号。比如第 7 代的代际编号就是 Kaby Lake。最新的第 14 代的代际编号是 Raptor Lake Refresh。下表是我搜集整理到的各个代际的信息(在手机上看需要往右拖动一下表格才能够看全)。
时间 | 代数 | CPU代际 | 制程工艺 | 微架构 |
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2013 | 第4代 | Haswell | 22nm | Haswell |
2014 | 第5代 | Broadwell | 14nm | Haswell |
2015 | 第6代 | Skylake(client) | 14nm | Skylake |
2016 | 第7代 | Kaby Lake | 14nm | Skylake |
2017 | 第8代 | Coffee Lake | 14nm | Skylake |
2018 | 第9代 | Coffee Lake Refresh | 14nm | Skylake |
2019 | 第10代 | Ice Lake(client) | 10nm | Sunny Cove |
2020 | 第11代 | Tiger Lake | 10nm | Willow Cove |
2021 | 第12代 | Alder Lake S | 7nm | 大核Golden Cove 小核Gracemont |
2022 | 第13代 | Raptor Lake | 7nm | 大核Raptor Cove 小核Gracemont |
2023 | 第14代 | Raptor Lake Refresh | 7nm | 大核Raptor Cove 小核Gracemont |
在上面的表中,我列出了每一代 CPU 发行的时间、代数、代际编号、制程工艺,还有最后一列是微架构。因为我的老电脑中的 CPU 是 Kaby Lake,所以我把 Kaby Lake 的详细的资料给大家翻出来。
我们这颗 CPU 是双核四线程的。所以对应的 CPU 的 Die 图(CPU芯片的内部物理结构)就是下面这个:
在 Die图中,最上方的 Memory Controller 是内存控制器。当前 CPU 能支持什么样规格的内存,以及能支持多大的内存,都是由 CPU 中的内存控制器来决定的。其中 Kaby Lake 的内存控制器相比上一代 Skylake 来说,将支持的内存频率从 DDR4-2133 提升到了 DDR4-2400。
下方中间位置是两个物理核,这是 CPU 中最重要的部分。还有两块 L3 Cache,要注意的是虽然在硬件上是有两块 L3,但不管有几块,所有的 L3 缓存都是所有核共享的。
在 CPU 的下方最右侧的 Gen9.5 是 CPU 中集成显卡。对这块显卡感兴趣的同学可以移步 https://en.wikichip.org/wiki/intel/microarchitectures/gen9。
在 CPU 的下方最左侧是 System Agent 模块。在该模块中主要包括外围组件快速互联(Peripheral Component Interconnect Express,简称PCIe) 通道、图像处理单元(Image Processing Unit,IPU)等。
在 Kaby Lake 中包含 20 个 PCIe 通道。其中有的通道是用于和显卡通信,有的是通过南桥和硬盘、网卡等设备通信。
南桥芯片是用于帮助 CPU 和外围设备交互的。固态硬盘、机械硬盘、网卡等 IO 设备一般来说都是通过南桥来和 CPU 相连的。南桥会收集好了这些设备上的数据再传输给 CPU 处理。另外现在有些高性能的固态硬盘也是直接通过 PCIe 通道和 CPU 通信,这样的硬盘性能更好。
另外,IPU 的功能是支持视频录制成像、人脸检测识别等图像相关处理的硬件。
以上就是 Kaby Lake 架构下 CPU 的主要物理结构。
另外,从表中还可以看到 Kaby Lake 是 2016 年发布的,制程工艺是 14 nm。CPU 的制程工艺一直在进步,从 2013 年的 22 nm 逐步发展到了今天的 7 nm。制程工艺的进步带来的好处主要是能效比的提升,单位面积上晶体管的数量增加了,但是需要的能耗却变低了。
三、物理核微架构设计
另外,每个代际的 CPU 还有个非常不同的地方在于微架构的不同。微架构指的是每个物理核设计时采用的技术方案。不同的微架构对核的设计是不同的,比如 TLB、L1、L2 等各种缓存,再比如 CPU 核内部的运算单元都会有所不同。
通过上一节中的表格,可以看到我手头的这颗 Intel(R) Core(TM) i5-7200U CPU
代际编号为 Kaby Lake,微架构的设计仍然沿用的是 Skylake 中的核设计。那么 Skylake 中的物理核是怎么设计的呢?我从官网看到了它的内部物理结构。
上面的图中大致可以根据颜色的不同分成三大块区域。
前端部分的作用是从内存中获取指令并解码,然后把解码后的指令放到队列中,等待 CPU 后端处理。还包括了 CPU 中的分支预测的实现 BPU。另外也还包含解析指令时需要用到的 L1 指令缓存和指令 TLB。
其中,从上图中也可以看到,Skylake 核中的 L1 指令缓存的大小是 32 KiB。
第二块区域是绿色的后端,又叫 Execution Engine。
后端模块的作用是从队列中获取前端解码好了的指令开始运行。在后端中包括 Port0、Port1、…、Port7 等 8 个端口。每个端口都支持不同的微操作(uOP)的处理。
其中,Port0、Port1、Port5、Port6 支持整数、浮点数的加法运算,Port2、Port3 用于地址生成和加载,Port4 用于存储操作。
因为有 8 个 Port,所以后端在一个时钟周期内,是可以最多处理 8 个微操作的。
第三块区域是紫色的存储系统,又叫 Momory SubSystem。
在这里包括了 L1 级别的 Data 缓存区,图中也展示了它的大小是 32KiB。还包括 L2 缓存,其大小是 256 KiB。另外还有 Data TLB 等缓存。这些缓存都是位于 CPU 核内部的,访问它们的速度比访问内存更快。
总结
今天借助我手头的一枚老旧的 CPU Intel(R) Core(TM) i5-7200U CPU @ 2.50GHz 2.71 GHz
,深入地介绍了 Intel 的 CPU 命名规则。了解了命名规则,有助于我们快速判断一颗 CPU 的大概的性能。不过如果你是一名发烧友,还是建议搜索天梯图来了解每个 CPU 的排名情况。
另外,我们也找到了这颗 CPU 的硬件解剖图 – Die 图。从 Die 图里我们直观地看到了 CPU 内部的物理结构。在 i5-7200U 中包括了集成显卡、包括了物理核、还看到了 L3 缓存的位置。另外内存控制器也是集成在 CPU 的,CPU 就是通过它来和内存通信的。还有就是 PCIe 通道,是 CPU 用来和硬盘、网卡、显卡等设备通信的通路。
最后我们深入到了 Skylake 的物理核的内部。了解到了物理核中的三大组成部分:前端、后端和存储模块。其中前端负责指令的解析,后端负责指令解析后的微操作的运行处理。存储系统为前端和后端提供了 L1、L2 等缓存,用于加速内存访问。
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