服务器处理器基础知识

CPU(中央处理器) 是一台计算机的运算核心和控制核心。CPU 主要功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU 由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。

CPU 的运作原理可分为四个阶段: 提取 (Fetch)、解码 (Decode)、执行 (Execute) 和写回 (Writeback)。 CPU 从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码，并执行指令。

CPU 的主要性能参数包括：主频，倍频，外频。CPU 的主频也叫时钟频率，CPU 主频为 CPU 的额定工作频率，当内核数目和缓存大小一样时，主频越高的 CPU 性能越好。通常，主频越高 CPU 处理数据的速度就越快，CPU 的主频=外频×倍频系数。

为什么会有外频和倍频的区分呢？这个是和 CPU 的发展有关的。简单说来，就是 CPU 发展太快，而其他硬件无法达到同样频率来交互，于是 CPU 进行妥协，将外频作为和主板其他部件之间通讯的频率，而工作频率靠倍频来调节提升。

• CPU 的主频，即 CPU 内核工作的时钟频率 （CPU Clock Speed）。通常所说的某某 CPU 是多少 MHz 的，而这个多少兆赫就是 「CPU 的主频」。
• 外频是 CPU 的基准频率，单位是 MHz。CPU 的外频决定着整块主板的运行速度。
• 倍频系数是指 CPU 主频与外频之间的相对比例关系。一般情况下，同代 （同针脚） 的 CPU，其外频往往是一样的，只是倍频系数的变化导致主频不同。

Intel TurboBoost 技术中文叫做 Intel 睿频加速技术，此技术运行 Intel CPU 工作在标称频率之上，性能分配上实现按需分配。

2017 年 7 月份，英特尔 (Intel) 正式发布了代号为 Purley 的新一代服务器平台，包括代号为 Skylake 的新一代至强 (Xeon)CPU，命名为英特尔至强可扩展处理器 (Intel Xeon Scalable Processor，SP)，也宣告了延续 4 代的至强 E5/E7 系列命名方式的终结。

至强可扩展处理器不再以 E7、E5 的方式来划分定位，而代之以铂金 (Platinum)、金 (Gold)、银 (Silver)、铜 (Bronze) 的方式。

Skylake 是新命名方式的一代，Cascade Lake 是二代，两代共用 Purley 平台。

• 第一位数字：8(铂金)、6/5(金)、4(银)、3(铜)
• 第二位数字：(新命名体系下的) 代次
• 第三四位数字：具体 SKU(库存单位) 编号

Intel 处理器工艺和架构更新成为 Tick-Tock。Tick 年 (工艺年) 更新制作工艺，Tock 年 (架构年) 更新微架构。

2006 年，Intel 正式发布了酷睿 2/Core 2 处理器，同时宣布了每年更新 CPU 的 「Tick-Tock」 计划，「Tick」 代表 CPU 制作工艺上的改进，而 「Tock」 则代表 CPU 架构上的更新。

Tick-Tock 就是时钟的 「嘀嗒」 的意思，一个嘀嗒代表着一秒，而在 Intel 的处理器发展战略上，每一个」Tick-Tock」 代表着 2 年一次的工艺制程进步。

这样在制程工艺和核心架构的两条提升道路上，总是交替进行，一方面避免了同时革新可能带来的失败风险，同时持续的发展也可以降低研发的周期，并可以对市场造成持续的刺激，并最终提升产品的竞争力。

多核处理器把多个 CPU(核心) 集成到单个集成电路芯片 (Integrated Circuit Chip) 中。一个双核的 CPU 有 2 个中央处理单元，操作系统可以看到真正的 2 个核心，所以 2 个不同的进程可以分别在不同的核心中同时执行，这大大加快了系统的速度。由于 2 个核心都在一个芯片上，因此它们之间的通信也要更快，系统也会有更小延迟。

超线程 (Hyper Threading) 其实就是同时多线程技术，是一项允许一个 CPU 执行多个控制流的技术。它的原理就是把一颗 CPU 当成两颗来用，将一颗具有超线程功能的物理 CPU 变成两颗逻辑 CPU，而逻辑 CPU 对操作系统来说，跟物理 CPU 并没有什么区别。因此，操作系统会把工作线程分派给这两颗 （逻辑）CPU 上去执行，让 （多个或单个） 应用程序的多个线程，能够同时在同一颗 CPU 上被执行。注意：两颗逻辑 CPU 共享单颗物理 CPU 的所有执行资源。实际上，超线程技术就是对 CPU 的虚拟化。

多核处理器把多个 CPU（核心） 集成到单个集成电路芯片中。多核 CPU（处理器） 是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎 (内核)。超线程 (hyper-threading) 其实就是一项允许一个 CPU 执行多个控制流的技术。

关于异构，从计算单元角度来看，x86 处理器之外的计算单元，都可认为是异构单元，例如 GPU、FPGA 加速卡等。

从软件系统集群角度来看，基于不同处理器的服务器可以认为是异构；例如基于 E5-2650v4 的大数据集群使用基于 Gold 5115 或者鲲鹏 916 的服务器来扩容，就属于扩容异构节点。

关于众核，它是相对于单核而言，即最早的芯片只有一个核，到后来的双核 (Dual Core) 和四核 (Quad Core)。超过这个数量的，不多于 10 个核的，一般称为多核 (Multi Core)。当前的 CPU 核数达到 32~64，业界称为众核 (Manycore)。多核和众核之间并没有严格的限制。

随着云计算，大数据和人工智能技术发展，边缘计算发挥着越来越重要的作用，让越来越多的数据在边沿计算，补充数据中心算力需求。边沿计算对计算架构要求多样化，需要不同的处理器架构来满足不断增长的算力需求，同时需要 GPU，NPU 和 FPGA 等技术加速特定领域的算法和专用计算。以此，不同 CPU 架构，不同加速技术应用而生。

目前两大 CPU 处理器指令体系 CISC 和 RISC 架构都在互相取长补短，走向融合。CISC 借用 RISC 的理念优化指令系统效率，RISC 引入增强指令提高复杂任务处理效率。所以，不必过分关心 CISC 和 RISC 的区别，两种架构都是非常先进，并且会长期发展演进的。

CISC 复杂指令集特点在于指令多，一条指令执行多个功能。优点体现在特定功能执行效率高，例如多媒体处理；缺点是系统设计复杂，执行效率低；典型架构包括 x86。

RISC 精简指令集特点是指令少，复杂任务由多个精简指令组合完成。优点是常用工作执行效率高，功耗低；缺点是部分复杂任务处理效率偏低，例如多媒体处理；典型架构是 ARM、Power、MIPS、Alpha 和 SPARC 等。

RISC 架构相比 x86 架构来说，物理核心更多，适用于当前数据中心主流的分布式计算场景；例如大数据、分布式存储、HPC 等；能耗更低，节能环保，相比同样性能的 x86 处理器，功耗低 20% 左右。

然而，RISC 架构相比 x86 架构也存在明显不足，如单核性能稍弱于 x86；相比于 Intel AVX512，向量指令运算能力偏弱，在 HPC 部分场景性能低于 x86；对通用场景无任何影响；

ARM 架构 RISC-V 和 MIPS 架构都是比较主流和流行的 RISC 架构，但两者存在比较大的差异。

• ARM 具有更好的软件生态：ARM 处理器在移动终端、IoT 等领域广泛使用，也建立了良好的软件生态；移动端和数据中心的基础软件库是通用的；
• ARM 性能更高：ARM 是主流的，活跃的架构，有多家主流参与者，迅速发展，目前性能已经可以媲美主流 x86 处理器。

MIPS 公司经营不善，MIPS 架构已经基本没有发展。Wave Computing 公司宣布开源 MIPS，龙芯是中国科学院计算所自主研发的通用 CPU，基于 MIPS 指令集研发几代 CPU，因此，MIPS 技术还是相对比较成熟。MIPS 指令集架构 (ISA) 和 MIPS 的最新核心 R6 在 2019 年第一季度公开发布。

随着技术贸易战愈演愈烈，自主研发已经成为当代热词，中国研发 CPU 芯片的公司也犹如雨后春笋，目前主要的 CPU 研发公司包括： 华为 (ARM)，飞腾 (ARM)，海光 (x86)，龙芯 (MIPS)，兆芯 (x86)，申威 (Alpha) 等。

这些公司中，有多家为服务器厂商提供芯片。目前采用上述芯片提供服务器的厂商包括：技嘉 (Cavium)，HPE(Cavium)，联想 (Ampere、飞腾)，Ampere(Ampere)，浪潮 (飞腾)，长城 (飞腾)，同方 (飞腾)，宝德 (飞腾)，云海麒麟 (飞腾)。

芯片的整体性能与制造工艺和内核的深度设计都有关系。工艺越先进，芯片集成度越高，芯片运行频率越快，功耗相对越低，整体竞争力越强。

目前主要的 CPU 芯片代工生产商是台积电 (TSMC)，它是全球最大的晶圆代工龙头企业，拥有世界最高 7nm 生产工艺的台湾公司，制造工艺全球领先。此外，可代工生产 CPU 的中国企业包括中芯国际、华虹半导体和华力微电子等公司，中芯国际预计 19 年可实现 14nm 工艺，国产厂商也发展迅速。