[小惡魔的電腦教室] 1-2.看懂CPU規格，外頻、倍頻、快取

「為桌上型電腦和筆記型電腦選擇 Intel Core 2 Duo 處理器做為動力核心，即可享有最尖端的效能增強技術，包括高達 4MB 的共用 L2 快取記憶體，以及高達 1066 MHz的前端匯流排.....」（註：以上取自Intel官方網站）。


（感謝DaPang奉獻崩潰的小白鬼一隻）


這年頭，就連CPU的「廣告」都是一堆專有名詞，懂得人當然一看就知道好在哪裡，不懂的人....大概就像我在購物台看果菜機，不管哪一台都覺得好厲害，可以買來讓媽媽變貴婦。所以從這篇開始，我們會深入CPU的規格，解釋那一長串的專有名詞，讓大家真正了解CPU背後的技術。由於CPU已經發展30年了，真要重頭講起可能得寫幾大本書才行，所以這裡盡量以最新的規格為主。

大家先上網抓CPU-Z回來玩一下，它會辨識CPU的型號並列出詳細規格，每台電腦都有CPU，看跑出來的規格再對照下面的說明會更容易理解。

要先說聲抱歉，因為這篇是規格解說，絕大部分都是文字講解，可能會看比較累，先去倒個飲料再來慢慢看吧～



CPU-Z是玩家必備的CPU辨識程式，它會去偵側系統，所以有時會被防毒軟體（比如卡巴斯基）擋下來，別擔心，這程式很安全。


1.製程、封裝腳位、電壓、TDP

CPU是所謂的半導體製程下的產物，台灣是世界知名的半導體代工大國，大家應該對這種高科技、高汙染的產業有點概念，它是用矽化合物做成可通電或不通電的電晶體（所以叫「半」導體），塞在小小一塊面積裡，運算電腦世界中0與1組合的資料，現在主流的CPU大約有1～3億個電晶體在那塊小小的豆干上。

製程（Manufacture Process）是指晶片裡電子移動通道的寬度，現在一般是90nm或65nm（nm為奈米，十億分之一公尺），製程進步就是寬度縮減，讓Die面積縮小，Die面積縮小就可以省錢（晶片是先製造一大塊晶圓，比如八吋、12吋晶圓，再去切割成一顆顆的Die，封裝之後變成晶片）；另一方面，寬度縮減也代表可以在相同面積下塞進更多電晶體，讓晶片有更多功能，所以各大半導體廠都把製程縮減列為首要目標。

封裝腳位（Package）則是晶圓做成晶片後，拉出來傳輸資料的腳，前一篇我們已經有拍Intel和AMD產品的針腳，Intel目前用的是LGA775，已經用了好幾年了，數字就是針腳的數目（雖然事實上並沒有「針」腳）。而AMD目前的腳位有點亂，包括Socket 939/AM2/AM2+/AM3，除了Socket 939之外，其他都是940根針腳，但針腳的電氣定義並不相同，AMD針腳數目較多、腳位規格混亂是有原因的，後面的章節再討論。

電壓（Core Voltage）和TDP密不可分，電壓是驅動CPU工作的電力，由於製程精進，CPU所需的電壓愈來愈低了，現在大約在1.3V左右或更低。可是TDP（Thermal Design Power）也得考慮進去，TDP是讓CPU工作而且不會熱當機時所必須散發掉的熱能，單位是瓦（W），現在CPU沒有散熱器就沒辦法運作，所以TDP不是單純指CPU的耗電量而已，65W的TDP是指讓CPU全速運作時，必須散掉65W的熱，CPU才不會過熱當機，而這65W的熱可藉由風扇、熱導管、水冷等各種散熱方式來消除。TDP數值愈低愈好。


2.型號、核心代號

型號沒什麼好說的，就是CPU販賣時的產品名稱。代號（Codename）反而比較值得注意，廠商在製造CPU時，並不是每個產品型號都做一款，而是大量生產少數幾種晶片，再篩選每一顆晶片，依特性去劃分成不同的產品，這樣可節省製造成本。而這少數幾種晶片就是CPU的核心代號，同一個核心會衍生出不同的產品型號，最後的規格也會不同。這是因為晶圓製造並不一定每一顆都很完美，最完美的會劃成高階產品，稍微有問題的，比如無法到達高時脈，或是部分電晶體有缺陷，就降成低階產品，充份利用每一個生產的晶圓。

所以從代號有時可以看出廠商的策略，比如圖中的代號「Conroe」（網路上常戲稱它是「控肉」）是目前最紅的Intel Core 2 Duo的代號，第一代的C2D產品都是用這個核心，可是後來E6300和E6400這兩個產品換成Allendale核心，即使他們最終的產品名稱和規格都一樣。因為Conroe的晶片內部有4MB快取，而E6300/E6400則是2MB快取的產品，初期可能晶圓有缺陷，正好降低規格賣出，但製程良率提升之後，這種有缺陷的晶圓變少了，就得手動關閉部分功能來生出低階產品，這會造成廠商在單個晶圓上的獲利變少（明明是完美的，卻得降價賣），所以這時就會換生產另一顆核心，換比較便宜的晶片來提高獲利，就E6300/E6400的例子，Allendale就是內部原本就只有2MB快取的核心，晶片面積變小，適合較低階的產品。

總之，核心會影響CPU的特性，也能幫助了解CPU產品線的規格。

　
同樣是E6400，卻有Conroe和Allendale兩種核心。


3.核心時脈

時脈（Clock）是CPU最重要的規格，單位是MHz或GHz，意思是CPU每秒跑幾「百萬次」（MHz）或「十億次」（GHz）。CPU內部是一個個的運算單元，像小型計算機那樣可以算一些加減乘除，而所謂的「跑一次」，就是CPU內部所有單元做一次動作，執行某些運算，2GHz的CPU就代表它可以每秒做20億次的動作。所以很直覺的，時脈愈高，數字愈大，執行的速度就愈快，而這也是劃分CPU產品定位的第一標準。

但不同核心的CPU時脈不能混在一起做比較，因為它們「跑一次」所做的事並不一定相同，這就是所謂的「時脈週期」（Clock Cycle）。比如過去Intel Pentium4的CPU動不動就2GHz、3GHz，換到Core 2 Duo之後就變成只有1GHz、2GHz，可是事實上C2D的效能比P4好太多了，好到讓Intel全面放棄舊架構的Pentium4，因為C2D每個時脈週期可以做更多事，就算時脈沒有前一代產品高，整體效能還是比較好。

至於為什麼CPU的時脈都可以拉到GHz這麼高等級，是因為現在CPU內部是「管線化」的架構，講管線好像很難，其實很好理解。假設有一台洗衣機可以做洗衣、脫水、烘乾的步驟，一堆衣服丟進去，整個做下來要30分鐘，如果管線化拆成三台機器，每台只做一個步驟，雖然一堆衣服仍然要30分鐘才能處理完，可是會變成一次可以處理三堆衣服，而且每台機器運作的時間也變短了。而運算時間變短，就是一個時脈週期縮短，也就是時脈提高了。現在新的CPU內部大概都是十幾個階段（Stage），之前Pentium4時脈會那麼誇張，就是用了20個階段來飆速度。


4.外頻、倍頻

CPU得對外和其他零組件溝通，而外頻（Bus Speed）就是CPU「對外」的時脈，那跟前面講的CPU時脈有什麼不同？其實早期外頻和CPU的內部時脈是相同的，但在CPU開始導入管線化架構之後，時脈突飛猛進，遠遠超越其他零組件，所以CPU便使用外頻和倍頻（Multiplier）的機制。CPU內部跑的是高時脈，但對外就降到較低的外頻，現在一般是200～333MHz，而內部的高時脈就是「外頻 x 倍頻」，倍頻的話，現在是6到11不等，不過以前也曾有過20幾倍頻的。

為了進一步讓事情複雜化，外頻也不是其他零組件跑的時脈，而是其他零組件「做為基準」的時脈，因為各零件的發展速度不一，所以便衍生成這種狀況。比如CPU的老相好記憶體，便是以外頻為基準，乘上不同的比值或算法，變成記憶體時脈。而底下要講的FSB則固定是外頻的四倍。

正常販售的CPU的倍頻都是只能下降不能提高（除了少見的工程測試版，或極高階的CPU），倍頻下降是CPU自己啟動的省電機制，降低時脈來節省耗電。所以大家所說的「超頻」都是拉高外頻，而因為外頻是其他零組件做為基準的時脈，一拉外頻就雞犬升天，CPU、記憶體、FSB的速度都跟著提高，電腦的整體效能就會顯著提升。


CPU-Z裡左下方的「Bus Speed」就是外頻，圖中是被我超頻過的300MHz，「Multiplier」中的6.0則是倍頻，300和6相乘就變.....1799.9MHz，0.1的誤差是因為時脈產生器不一定非常精準。



切到CPU-Z的「Memory」（記憶體）部分，Frequency頻率會顯示375MHz，底下有個4:5的比值，就是以外頻為基準，乘上5/4變成記憶體時脈。這個比值有很多種，取決取北橋的記憶體控制器，像1:1、1:2等等，設定比值和外頻時脈，有時可以在CPU超頻後，讓記憶體跑在比原來還低的時脈，增加穩定性。


註：記憶體時脈的算法因記憶體控制器不同，會有不一樣的「公式」。Intel是固定幾種比值乘上外頻，AMD則是連同倍頻一起納入計算，而NVIDIA新的晶片組號稱有Unlink非連結模式，可讓記憶體和外頻時脈各自獨立調整，但那只是內建更多的比值，讓記憶體時脈可以細微變動，基本上仍然都以CPU的外頻為計算基礎。


5.Front Side Bus（Intel）和HyperTransport（AMD）

CPU直接連接一個重要裝置：北橋（關於「北橋」的用途，請參照主機板的章節），而「前端匯流排」（Front Side Bus，或簡稱FSB）就是CPU和北橋之間溝通的速度，北橋連接的全都是高速週邊，所以FSB對效能的影響非常大。要注意的是，FSB是Intel CPU專用，AMD的CPU用的是HyperTransport（簡稱HT），技術不同，但功能一樣是連接北橋。

現在Intel的FSB固定是外頻的四倍，AMD的HT則是外頻五倍，一些低階的產品則是四倍（＊註：新架構的AMD CPU不再是外頻4或5倍，算法未知），但因為Intel和AMD的CPU的外頻並不相同，Intel的處理器外頻是200、266和333MHz（依產品定位高低而不同），AMD則固定是200MHz，乘上倍數之後，Intel的FSB是800、1066和1333MHz，AMD的HT則是800或1000MHz，除了Intel最新的1333MHz比較快之外，另外兩個是差不多的。

FSB和HT都是CPU和北橋連接的速度，所以這不僅是CPU的規格，也是主機板北橋的規格，兩邊要支援相同的速度才能搭配。


用CPU-Z看AMD的CPU，Rated FSB的部分會變「HT link」，指的就是HyperTransport的速度。


註：FSB和HyperTransport通道寬度不一樣，FSB是64 bits，HT是32 bits，但HT是「雙倍資料速度」（Double Data Rate），每個時脈週期可以傳兩次資料，抵銷之後，直接比較FSB和HT的時脈就知道誰的頻寬比較大。


6.L1/L2快取

算完一堆數學有點頭昏腦脹了嗎？接下來也是個數大便是美的規格，但不必再乘來乘去了，快取（Cache）。

在這一系列教學的第一篇就有講到，CPU需要記憶體做資料暫存，但CPU實在太快了，在記憶體裡運算資料還是嫌太慢了，所以現在CPU都直接在晶片裡內裝記憶體，也就是快取機制，由於快取記憶體根本就在CPU裡面，時脈和CPU一致，速度飛快。一般是64KB的「L1資料快取」和64KB的「L1指令快取」，還有1MB到4MB不等的「L2資料快取」。

電腦很多地方都有「快取」的設計，它的意義很簡單，就是高速裝置和慢速裝置中間的緩衝區。以CPU為例，當你執行一個軟體，比如Word，資料就先從硬碟載到記憶體，再從記憶體讀到CPU快取裡，CPU是從快取裡執行，這樣遇到需要重複使用的資料時，就能從快取裡讀，不必再繞遠路去翻記憶體。而L1和L2就是第一、第二層快取，因為.....該死的！CPU實在太快，必須要有非常非常快的快取做為它的暫存區，這就是L1，可是這種超高速的快取製作困難，成本極高，量不能太大，通常只有64KB或128KB，暫存最近執行的資料。而第二層的L2就比較大，1MB、2MB、４MB都有人做，放一些較久之前執行的資料，再更久一點的就到記憶體去，而不太常用的才回到硬碟。

而CPU找資料也是從L1、L2、記憶體、硬碟依序從最近（最快，容量最小，最貴），到最遠（最慢、容量最大，最便宜）找下去，而儲存資料時，比如存檔Word文件，也是這樣一步一步回到硬碟去。一些伺服器用的CPU還會有更大的L3快取做第三層緩衝，未來製程進步，也許一般消費端CPU也會有L3。快取是愈大愈好，因為CPU內部的運算單元執行速度超快，對一點點的延遲都很敏感，最好一切都能在快取內執行，需要載入新資料時，不得已才從記憶體裡讀。所以快取大小是評斷CPU效能的依據，通常性能愈強的CPU，也會搭配更大的快取。

但要注意，不同廠商的快取大小不能混為一談，因為所用的架構不同，比如Intel CPU的快取通常是AMD CPU的兩倍或更大，這是有特殊原因的。



CPU存取資料的順序如上圖所示，由最快最近的地方找起，如果沒抓到想要的資料再一層層往下找，因此愈上層的部分，影響效能就愈明顯。寫入資料時也是一層層往下寫，除了硬碟可以永久儲存之外，其他都是一斷電，資料就消失，所以如果你在編輯一個Word檔，在還沒有存檔之前，只有CPU的快取和記憶體裡有資料，一跳電，就完了。



快取對CPU有多重要？有圖有真相，這是一張CPU晶圓的顯微照相圖，周圍一塊是L3快取、中間是L2快取、裡面還有L1快取。事實上，現在CPU電晶體將近1/2都是快取。



CPU-Z裡有個「latency.exe」，執行就可以看讀快取的延遲，圖中顯示L1是3個時脈週期，L2是14個時脈週期。存取記憶體的話，大概需要3位數的時脈週期。


7.Stepping

呼～最難的已經過去了，前面講到一顆核心會衍生不同產品，不過一顆核心也會隨著時間做改版，也就是Stepping。通常一個核心做出來不會是100%完美，可能會有一些bug等等，核心改版通常會改善一些電氣特性，像是耗電量稍低一點、超頻性能好一點、增加功能，甚至提升FSB的速度，雖然還是同一個核心，但Stepping愈新，CPU的體質也會更好。

Stepping由一個英文和一個數字組成，最初可能是A0、A1，數字代表小改版，再來可能是B0、B1、B2，英文字改變代表大改版。比如Intel最新出的FSB 1333MHz的CPU，就仍然是Conroe核心，但Stepping已經到G0了，而最前面圖中是寫L2改版，這是讓CPU在閒置時耗電量從22瓦降到12瓦。


雙核心 / HyperThreading

最後，現在流行的「雙核心」（Dual Core）是什麼？其實就是在一個CPU的晶片裡，有兩個完整的CPU運算核心，他們共用快取來互相分享資料、共用FSB或HyperTransport與外面溝通，運算時則互相幫忙，平分工作量，Windows XP已經支援多核心的CPU，執行緒會自動分派到兩顆核心。用最直覺的比喻，就是以前CPU只能「全速」做一件很操的事，雙核心後就能全速做兩件（比如一邊做3D繪圖，一邊壓縮影片。真是太瘋狂了.....）。會朝向雙核心發展其實有點不得已，因為這幾年，CPU單一時脈週期的效能成長已經逐漸趨緩，利用增加核心來提高效能反而是比較簡單的解決方式，2008年四核心就會普及，接下來就八核心......再接下來，可能就是劃時代的新CPU架構了。


還記得這張圖吧？上一篇曾經出現過。在「CPU使用率記錄」分成兩塊，就是分別顯示兩個CPU核心的負載狀況。


而在雙核心還沒這麼普及以前，Intel想出一個很聰明的作法，稱為「HyperThreading」（超執行緒），有點像虛擬的雙核心。前一篇說過，CPU一次只能跑一條執行緖，HyperThreading則讓CPU可以同時「接收兩條」，當其中一條執行緒只用到CPU一部分的運算單元時，另一條就可以插進去補滿，讓全部的運算單元都有事做。事實上CPU仍然只有單核心的運算資源，只是讓運算單元的利率用提高，由於HyperThreading不是實體的雙核心，所以效能頂多增加10%～15%左右（Intel宣稱有30%，聽聽就好），總比沒有好。Pentium 4絕大部分的產品都有HyperThreading，在Windows XP下看就有兩個CPU佔用率，即使實體上只有一個核心。

Pentium 4滅絕之後，HyperThreading也跟著被淘汰，不過在Intel下一代產品中準備來個大復活，Intel之後會推出一個四核心的產品Penryn，每個核心都內建HyperThreading，猜猜看Windows XP下會看到什麼？沒錯，就是八腳章魚.....!我們真的需要這麼多核心的CPU嗎？這問題等到2009年再來回答好了。


結語

「為桌上型電腦和筆記型電腦選擇 Intel Core 2 Duo 處理器做為動力核心，即可享有最尖端的效能增強技術，包括高達 4MB 的共用 L2 快取記憶體，以及高達 1066 MHz的前端匯流排.....」（註：以上取自Intel官方網站）。

最後，再回頭看最前面那段廣告詞，是不是覺得沒什麼了？只不過點出CPU兩個重要規格而已，這就是技術行銷的真義：在產品廣告裡夾帶一些看起來很厲害的名詞.....。

下一篇難度將會更高一點，講CPU的一些特殊功能，比如SSE、VT等等，相當有趣，是深入了解CPU的一個機會。