探讨CPU与存储器的关系

   探讨CPU与存储器的关系

刘华东

湖北职业技术学院  

目前世界上主要CPU设计公司都在更新CPU，电脑应用和手机通信促进了CPU的进步，CPU发展道路在2000年前后靠提高工作频率，2010年之后直到现在靠提高核数，增加缓存，集成更多电路来提高性能，工艺上进展到5纳米左右了，但是CPU和存储器的结构基本没有发生太大的变化，从CPU向外依次是各核心独享的一级数据和一级指令缓存，独享的二级缓存，目前最大每核约2M容量，三级缓存是多核心共用，目前最大约32M容量，接下来是内存，目前最大约8G容量，再就是固态硬盘，目前手机上最大差不多用512G容量，台式机还可以用机械硬盘约2T，再往外数还有U盘和光驱等等，所以CPU很大部分功能和性能是靠存储器来提高的，一级数据和一级指令缓存看起来只有32K容量，他和CPU联系最紧密，工作频率可认为和CPU频率相当，实际上是最不能少的存储器。硬盘和U盘主要是掉电后还要保存数据，功能稍有不同。

英特尔发布的CPU新品Intel Core i9-13900K 有8个性能核 P-Core，与16个能效核 E-CoreRaptor ，共计24 核 32 线程，P-Core采取RaptorCove 微架构，而能效核虽然还是 Gracemont 架构，每集群 L2 缓存提升至了4MB。睿频 5.8GHz，基础功耗 125W，最大睿频功耗 253W;i，K系列处理器依旧使用了 32EU 的 UHD770，与上代保持一致。DDR5内存的默认支持频率则升至 5600MT/s，同时依旧支持 DDR4 内存。i9-13900K具有 8颗性能核以及16颗能效核，如图所示，性能核一级数据Data缓存8*48K字节，12线程，一级指令缓存Inst有 8*32K字节，8线程，二级缓存8*2M字节，16线程，三级缓存36M字节，12线程，三级和二级的缓存总容量提升到了68MB，其中L3级缓存为36MB，相比12代酷睿还是提升了不少。16颗能效核一级数据Data缓存16*32K字节一级指令缓存Inst有16*64K字节，二级缓存4*4M字节,三级缓存共用。

苹果在A16 Bionic上使用了新的性能核和能效核，分别称为Everest和Sawtooth，芯片组代号为Crete。如图2所示。与近年来不少新芯片的做法一样，苹果也在缓存上着手。一方面，苹果通过加大L2缓存容量提高性能，这是相对简单有效的方法。A16 Bionic的L2缓存为16MB，相比A15 Bionic的12MB增加了33%。不过增加缓存的缺点是增大了芯片的面积。另一方面，A16 Bionic的系统级缓存（SLC）却减少了，从A15 Bionic的32MB缩减到24MB。A16 Bionic和A15 Bionic的CPU内核布局并不相同，且性能核和能效核相比上一代要更大一些。虽然A16 Bionic的图形性能有了较为明显的提高，但GPU内核数量仍然保持在五个，面积上基本没有什么变化，且放置在芯片几乎相同的位置。

A15继续集成六核心CPU，包括两个高性能大核心、四个低功耗小核心，同时有4-5个GPU核心，以及新的显示流水线、视频编码器、视频解码器、ISP，以及翻倍的系统缓存、更强的神经网络。系统缓存从A13/A14上的16MB翻番来到了32MB，其中大核二级缓存也从8MB增加一半来到12MB，这比骁龙888等其他SoC的总缓存都要大，骁龙888里的A78、A55核心更是完全不能打了，比如说对比A55，A15小核性能平均高出3.5倍，功耗只高了32％，因此能效超出60％之多。无论是骁龙888 X1大核心，还是三星Exynos E2100 X1大核心，在A14面前都追赶不及，更别说A15了。

从英特尔发布的CPU新品Intel Core i9-13900K和苹果在A16和A15结构都可以看到当前CPU和存储器关系紧密，各公司通过提高各级缓存和存储器来提高产品性能，各种存储器在广泛与CPU协同工作，CPU靠存储器提高性能。

【作者简介】刘华东（1966-），男，湖北孝感市人，

湖北职业技术学院机电工程学院副教授，主要从事电子技术方面工作。