新锐龙为啥比新酷睿厉害?了解IPC和微架构你就懂了!

CFan 电脑爱好者 2020-07-15 09:00产品 标签:架构 处理器 性能

消费者对性能的需求是无止境的,因此无论X86阵营的英特尔和AMD,还是ARM领域的高通、三星、联发科、海思,都在想尽办法提升旗下处理器的性能。

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业内用于计算处理器性能的公式是:CPU性能=时钟频率(MHz或GHz)×IPC(CPU每一时钟周期内所执行的指令多少),相同核心数量和主频的处理器之间之所以会存在性能差异,就是IPC在背后“捣鬼”。

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主要晶圆代工厂的技术迭代时间表

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未来3nm工艺需要从FinFET(鳍式场效应晶体管)升级到GAAFET(环绕式栅极技术),MBCFET(多桥通道FET)则是三星的专利,属于GAAFET的变体

其中,CPU能运行在多高的频率,主要取决于它的生产工艺,在相同功耗和发热的前提下,用5nm制造的芯片肯定比7nm能稳定运行在更高主频上。

如果你对制程工艺感兴趣,可以参考以下两篇文章:

“芯”希望来自新工艺!EUV和GAAFET技术是个什么鬼?

制程工艺哪家强?英特尔:额......你猜猜?

既然始终频率取决于工艺,那IPC又是受谁影响呢?

没错,决定IPC的就是“微架构”,也就是CPU的内核,手机SoC的IPC性能提升全靠ARM Cortex-A微架构的迭代(详见《Cortex-A78、X1、Mali-G78发布!ARM三剑客全解析》),而X86 CPU就要靠英特尔和AMD自身的努力了。

在这里还要夸一下AMD,在过去的很长一段时间,AMD旗下移动处理器的表现非常差,很多高端型号的性能也就是同期英特尔酷睿i3的水平。

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AMD APU家族发展路线图

2017年底问世的Ryzen锐龙之所以备受关注,就是因为它采用了最新的Zen CPU微架构,实现了震惊世界的52%的IPC性能提升,直接获得了与英特尔最新第八代酷睿处理器竞争的本钱。

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第二代锐龙采用了升级版的Zen+微架构,虽然其IPC性能只提升了3%,但AMD依旧通过改用12nm工艺和提升主频的方式,换来了大约10%的实测性能提升和更低的功耗表现。

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AMD移动锐龙4000系列成员

最新上市的第三代锐龙采用了最新的Zen 2微架构,IPC性能较Zen+再度提升了15%,并凭借7nm工艺在保持功耗不变的基础上增加了额外的核心数量且提升了主频,最终帮助AMD摘得当前笔记本领域的性能桂冠(多核性能)。

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相对于AMD,英特尔近几年在CPU微架构层面总在“原地踏步”。

从第六代酷睿开始,第七、第八、第九和第十代酷睿(14nm Comet Lake平台)使用的微架构都是基于“Skylake”的缝缝补补(主要是功能层面增强,比如支持LPDDR4X和更高频率的内存,引入英特尔Adaptix动态调优等技术),每次迭代时IPC几乎都没有提升。

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还好,英特尔对14nm工艺的优化也变得愈加炉火纯青,每一代酷睿处理器平台的主频都有着显著的提升,核心数量也得以缓步增加。比如,第六代酷睿i7-6700HQ还是4核8线程(2.6GHz~3.5GHz),第九代酷睿i7-9750H则进化到了6核12线程(2.6GHz~4.5GHz),第十代酷睿i7-10875H更是升级到了8核16线程,最高主频也突破了5GHz大关。

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得益于更多核心和更高主频,英特尔从第六代酷睿开始,U系列每一代都有着大约10%的性能提升

增加的核心数量和更高的睿频加速频率,足以弥补IPC提升乏力的缺陷。

英特尔从第十代酷睿(10nm Ice Lake平台)才开始引入全新的Sunny Cove微架构,IPC性能最高可提升18%(相较Skylake微架构)。将在2020年秋季发布的第十一代酷睿Tiger Lake会升级到更新的Willow Cove微架构,据说其IPC性能较上代Sunny Cove微架构还会再提升18%,从而有望阻止AMD第三代锐龙的攻势,并帮助英特尔重新夺回轻薄本领域的优势地位。

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英特尔未来移动平台CPU微架构发展计划

那么,IPC数值越高,CPU的实际性能就一定越强吗?

答案自然没那么简单,更先进的工艺和更优秀的微架构只能影响CPU的底蕴,它的实际性能还会受到物理核心数量、是否支持超线程、TDP功耗、缓存、指令集等其他因素的制约。如果你对这个话题感兴趣,请关注CFan的后续报道。