CPU的核心和线程的定义

fudyou

• 一个进程可以包含多个线程，多个进程就有更多的线程。当CPU只有一个物理核心时，同一时间只能运行一个线程，对多线程是通过分时处理，不断地切换运行线程，来达到宏观上“同时”运行多个线程的目的。
• 多个核心就能同时运行多个线程，只要线程数不大于核心数，就不需要分时处理，是真正的同时。实际上桌面系统中，启动时就会运行上百个进程，线程数量更多。不过大部分线程处于等待和休眠状态，不消耗CPU时间，大部分桌面用户只需要一个“前台”程序流畅运行，因此桌面CPU只要有1~8个核心就可以很好地满足要求。
• “超线程”是把一个物理核心分成多个逻辑核心的技术。一个物理核心中有很多种不同类型的处理单元，比如计算加法的、计算除法的、访问内存的、处理分支跳转的……没有任何指令流可以使所有类型的单元都同时满负载。为了把空闲的单元利用起来，就把一个物理核心变成一到多个逻辑核心，每个逻辑核心可以运行不同的线程，提高了物理核心的利用率。
• CPU的单核性能等于“频率×IPC”，IPC是每个时钟周期可以执行指令的数量。由于每条指令所需的时钟周期不一定相同，IPC通常是指运行测试程序得到的平均值。现代CPU由于增加了乱序执行、分支预测等等技术，IPC的波动就更大。现在通常使用SPEC CPU等程序评估（测试）CPU性能，把单核的得分换算成1GHz频率时的成绩称为PPC，也可以仍然称为IPC。两款CPU如果PPC(IPC)一样，那么肯定是频率越高越好，否则就不能单独比较GHz谁更大。
• PPC和IPC可以用于衡量CPU核心的设计水平，而CPU频率既被核心逻辑设计影响，更受后端设计的布局布线和生产工艺影响。奔腾(Pentium)4的PPC(IPC)不到11代酷睿的1/5，因此在相同频率下奔腾(Pentium)4的单核性能不到11代酷睿的1/5。在这种情况下，11代酷睿只需要800MHz的频率，单核心就能比4.0GHz的奔腾(Pemtium)4更快。
• 现代CPU仍然可以继续提高频率，但在技术没有革新之前，边际效应会造成提高频率的代价远远高于收获。比如高昂的CPU研发成本、高昂的工艺研发成本、高频率带来的高功耗问题……都会大幅度提高产品成本和使用成本。CPU的PPC(IPC)也已经触摸到了边际，要不然英特尔也不会挤那么多年的牙膏，现在又做出大小核的妥协。
• 国产CPU的频率和PPC(IPC)都与世界最高水平有一段距离。总的来说提高IPC更烧脑子，提高频率更烧钱。只能自负盈亏的龙芯CPU选择了烧脑子的路线，重点提高PPC(IPC)，相同频率性能已经与4～6代酷睿相当，频率保持稳中有升。兆芯和飞腾的PPC(IPC)则多年没有提升，已经落后到仅略高于龙芯3A5000的1/2。几代产品都是依靠更先进的工艺提高频率，然而它们最高的产品频率也只比龙芯3A5000高0.1～0.2GHz，导致龙芯4核的CPU与兆芯和飞腾8核的CPU整体性能相当。
• 个人认为，即使先进工艺不受限制，也有充足的资金，国产CPU也仍然应该把提高PPC(IPC)作为重心。因为我们无论花多少代价，桌面和服务器CPU的频率也不太可能在20年内赶超Intel。但是主要依靠烧脑子的CPU核心设计，我们是有望数年内赶上Intel水平的。龙芯3A5000的PPC(IPC)已超11代酷睿的80%，下一代3A6000同频性能将于11代酷睿持平。而兆芯和飞腾的PPC(IPC)仅11代酷睿的45%左右，还有很大的提升空间。