中央处理器 (CPU) 的类型

中央处理器 (CPU) 是电脑的大脑。它负责分配和处理任务，并管理各类电脑使用的操作功能。

CPU 类型是根据其处理数据所使用的芯片类型来指定的。处理器和微处理器的种类繁多，新的强大处理器也在不断开发中。CPU 提供的处理能力使计算机能够进行多任务处理活动。在讨论现有的 CPU 类型之前，我们应该先澄清一些基本术语，这些术语对于我们理解 CPU 类型至关重要。

CPU 内有许多组件，但这些方面对 CPU 的运行以及我们对其运行方式的理解尤为重要：

• 缓存：说到信息检索，内存缓存是不可或缺的。缓存是一种存储区域，其位置允许用户快速访问最近使用过的数据。高速缓存将数据存储在 CPU 处理器芯片内置的内存区域中，其数据检索速度甚至比随机存取内存 (RAM) 还要快。缓存可以通过软件开发或硬件组件创建。

• 时钟速度：所有电脑都配有内部时钟，用于调节电脑的运行速度和频率。时钟通过传输电脉冲来管理 CPU 的电路。这些脉冲的传输速率称为时钟速度，单位为赫兹 (Hz) 或兆赫兹 (MHz)。传统上，提高处理速度的一种方法是将时钟设置得比正常速度更快。

• 核心：核心是处理器中的处理器。核心是读取和执行各种程序指令的处理单元。处理器是根据核心的多少来分类的。与单核处理器相比，多核处理器处理指令的速度要快得多。（注："Intel Core”一词用于英特尔多核 CPU 产品系列的商业营销）

• 线程：线程是可编程指令的最短序列，操作系统的调度程序可独立管理并发送给 CPU 进行处理。通过多线程（使用多个线程同时运行），电脑进程可以并发运行。超线程是指 Intel 专有的多线程形式，用于并行计算。

CPU 的其他组件

除上述组件外，现代 CPU 通常还包含以下组件：

• 算术逻辑单元 (ALU)：执行所有算术运算和逻辑运算，包括数学公式和逻辑比较。这两种类型都与特定的电脑操作有关。
• 总线：确保电脑系统各组件之间的正常数据传输和数据流。
• 控制单元：内含密集电路，通过发出电脉冲系统控制电脑系统，并指示系统执行高级电脑指令。
• 指令寄存器和指针：显示 CPU 要执行的下一个指令集的位置。
• 内存单元：管理内存使用情况以及 RAM 和 CPU 之间的数据流。此外，内存单元还负责监督高速缓冲存储器的处理。
• 寄存器：提供内置的永久存储器，以满足必须定期和立即处理的持续、重复的数据需求。

CPU 使用一种重复指令周期，由控制单元与提供同步帮助的电脑时钟共同管理。

CPU 的工作按照既定的周期（称为 CPU 指令周期）进行。CPU 指令周期指定了一定的重复次数，这就是基本计算指令的重复次数，由电脑的处理能力决定。

三种基本计算指令如下：

• 获取：任何时候从内存中检索数据时，都会发生“获取”。
• 解码：中央处理器内的解码器将二进制指令转化为电信号，并与中央处理器的其他部分相连接。
• 执行：当计算机解释并执行计算机程序的指令集时就会发生“执行”。

为了提高处理速度，一些电脑用户放弃了创建高速性能的常规步骤，而这些步骤通常需要应用更多的内存核心。相反，这些用户会调整电脑时钟，使其在自己的机器上运行得更快。“超频"过程类似于对智能手机进行"越狱"，从而改变其性能。不幸的是，就像智能手机越狱一样，这种改动可能会对设备造成危害，而且也是电脑制造商所不允许的。

CPU 由驱动它们的处理器或微处理器定义：

• 单核处理器：单核处理器是一种在芯片（芯片和微芯片附着的硅基材料）上只有一个 CPU 的微处理器。单核处理器的运行速度通常比多核处理器慢，只在一个线程上运行，每次只执行一次指令周期序列。它们最适合用于通用计算。
• 多核处理器：多核处理器分为两个或多个活动部分，每个核心执行指令，就像完全不同的电脑一样，尽管这些部分在技术上位于一个芯片上。对于许多电脑程序来说，多核处理器能提供卓越的高性能输出。
• 嵌入式处理器：嵌入式处理器是专为嵌入式系统设计的微处理器。嵌入式系统体积小，设计功耗低，包含在处理器内，可直接存取数据。嵌入式处理器包括微处理器和微控制器。
• 双核处理器：双核处理器是一种多核处理器，包含两个相互独立的微处理器。
• 四核处理器：四核处理器是一种多核处理器，配备四个独立运行的微处理器。
• 八核：八核处理器是一种多核处理器，由八个微处理器独立运行。
• 十核处理器：十核处理器是指在一个芯片或一个封装上有 10 个核心的集成电路。

虽然有几家公司生产支持 CPU 的产品或开发支持 CPU 的软件，但近年来这一数字已减少到只有几家主要公司。

该领域的两家主要公司是英特尔和先进微设备公司 (AMD)。每种系统都使用不同类型的指令集架构 (ISA)。英特尔处理器采用复杂指令集电脑 (CISC) 架构。AMD 处理器采用精简指令集电脑 (RISC) 架构。

• Intel：Intel 通过四个产品线推广处理器和微处理器。其高端产品线是 Intel Core。Intel 的 Xeon 处理器专为办公室和企业设计。Intel 的 Celeron 和 Intel Pentium 系列被认为比 Core 系列慢且功能更弱。

• Advanced Micro Devices (AMD)：AMD 通过两种产品类型销售处理器和微处理器：CPU 和 APU（表示加速处理单元）。APU 是配备专有 Radeon 显卡的 CPU。AMD 的 Ryzen 处理器是面向视频游戏市场的高速、高性能微处理器。Athlon 处理器以前被认为是 AMD 的高端产品线，但现在 AMD 将其用作基本的计算替代方案。

• Arm：虽然 Arm 公司实际上并不生产设备，但它会将其有价值的高端处理器设计和/或其他专有技术出租给其他生产设备的公司。例如，苹果公司不再在 Mac CPU 中使用英特尔芯片，而是根据 Arm 设计制造自己的定制处理器。其他公司也纷纷效仿。

图形处理单元 (GPU)

虽然"图形处理单元"一词包含"图形"一词，但这一措辞并不能真正体现 GPU 的特点，即速度。在这种情况下，速度的提高就是电脑图形加速的原因。

GPU 是一种电子电路，直接应用于 PC、智能手机和视频游戏机，这也是其最初的用途。现在，GPU 还可用于与图形加速无关的用途，如加密货币挖矿和神经网络训练。

微处理器

当电脑科学创造出小到可以装在小型集成电路芯片中的 CPU（称为微处理器）时，人们继续追求电脑的微型化。微处理器由其支持的内核数量指定。

CPU 内核是“大脑中的大脑”，充当 CPU 中的物理处理单元。微处理器可以包含多个处理器。同时，物理内核是直接构建在芯片中的 CPU，但它只占用一个插槽，因此可以使其他物理内核进入相同的计算环境。

输出设备

如果没有输出设备来执行 CPU 的指令集，计算将是一项非常有限的活动。这些设备包括外围设备，它们连接到电脑外部，大大增强了电脑的功能。

外围设备为电脑用户提供了与电脑交互的手段，使电脑能够按照电脑用户的意愿处理指令。它们包括键盘、鼠标、扫描仪和打印机等桌面必需品。

外设并不是现代电脑常见的唯一附件。输入/输出设备也被广泛使用，它们既能接收信息，也能传输信息，如摄像机和麦克风。

功耗

有几个问题受到耗电量的影响。其中之一就是多核处理器产生的热量，以及如何从该设备中散发多余的热量，使电脑处理器保持热保护状态。因此，超大规模数据中心（容纳和使用成千上万台服务器）在设计上配备了大量空调和冷却系统。

此外，还有可持续性问题，即使我们谈论的是几台电脑而不是几千台电脑。电脑及其 CPU 的功能越强大，支持其运行所需的能源就越多--在某些大型情况下，这可能意味着千兆赫 (GHz) 的计算能力。

专用芯片

人工智能 (AI)是计算领域自诞生以来最深远的发展，目前正在影响大多数甚至所有计算环境。我们在 CPU 领域看到的一项发展是，专门为处理与 AI （或其他特殊用途）相关的大型复杂工作负载而打造的专用处理器应运而生：

• 这些设备包括张量流处理器 (TSP)，除了人工智能应用外，还能处理机器学习 (ML) 任务。其他同样适合 AI 工作的产品还有 AMD Ryzen Threadripper 3990X 64 核处理器和使用 24 核的英特尔酷睿 i9-13900KS 台式机处理器。
• 对于视频编辑这样的应用，许多用户会选择 Intel Core i7 14700KF 20 核 28 线程 CPU。还有人选择 Ryzen 9 7900X，它被认为是 AMD 最适合视频编辑的 CPU。
• 在视频游戏处理器方面，AMD Ryzen 7 5800X3D 采用了 3D V-Cache 技术，有助于提升和加速游戏图形。
• 对于通用计算，如运行 Windows 等操作系统或浏览多媒体网站，任何最新型的 AMD 或英特尔处理器都能轻松处理日常任务。

晶体管

晶体管对于电子产品，尤其是电脑而言极为重要。该术语是"转移电阻"的混合词， 通常指由半导体制成的元件，用于限制和/或控制流经电路的电流。

在计算领域，晶体管也同样重要。晶体管是制造所有微型芯片的基本单元。晶体管是 CPU 的组成部分，也是电脑用来解释布尔逻辑的 0 和 1 二进制语言的组成部分。

电脑科学家一直致力于提高 CPU 的输出和功能。以下是对未来 CPU 的一些预测：

• 新型芯片材料：硅芯片长期以来一直是电脑行业和其他电子产品的支柱。新一波的处理器（链接位于 ibm.com 以外）将利用新的芯片材料来提高性能。其中包括碳纳米管（通过比头发丝宽度小约 10 万倍的碳基管显示出卓越的热传导性）、石墨烯（一种具有卓越热学和电学特性的物质）和自旋电子元件（依靠对电子自旋方式的研究，最终可制造出自旋晶体管）。
• 量子胜过二进制：虽然目前的 CPU 依赖于二进制语言的使用，但量子计算终将改变这一现状。量子计算的核心原理不是来自二进制语言，而是来自量子力学，这是一门彻底改变了物理学研究的学科。在量子计算中，二进制数字（1 和 0）可以存在于多种环境中（而不是目前的两种环境）。由于这些数据将存在于多个位置，因此获取数据将变得更加容易和快捷。对用户来说，这将显著提高计算速度，全面提升处理能力。

• AI 无处不在：随着 AI 在计算行业和日常生活中的不断深入，它将对 CPU 设计产生直接影响。随着未来的发展，预计 AI 功能将越来越多地直接集成到计算机硬件中。届时，我们将体验到效率显著提高的 AI 处理。此外，用户还将发现处理速度和设备的提高，这些设备将能够实时独立做出决定。在我们等待硬件实现的同时，芯片制造商 Cerebras 已经发布了一款处理器，其制造商声称这是 "世界上最快的 AI 芯片"（链接位于 ibm.com 外部）。其 WSE-3 芯片可训练多达 24 万亿个参数的 AI 模型。这款超大型芯片包含四万亿个晶体管和 90 万个核心。

公司对其投资的电脑期望很高。反过来，这些电脑也依赖于具有足够处理能力的 CPU，以处理当今数据密集型业务环境中具有挑战性的工作负载。

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