超能课堂(136):英特尔CPU的睿频加速用处有多大?

英特尔去年推出了八代酷睿处理器,CPU核心数从之前的4核增加到了6核,性价比大增,所以去年初发布的七代酷睿会受到严重影响,据说有JS为了清理库存,给消费者洗脑说八代酷睿中的Core i-8700K频率才3.7GHz,比不过Core i7-7700K,后者还要便宜。不管有没有人上当,JS这个说法还真有迷惑性,而这又跟英特尔的Turbo Boost睿频加速有关。

今天的超能课堂我们就来谈谈英特尔处理器的Turbo Boost加速技术,它问世正好也有10年时间了,不仅成为了英特尔处理器的一个重要技术,还被英特尔当作区分CPU等级的标志,只有Core i5/i7/i9处理器才能享受到睿频加速,Core i3及以下的处理器是没有的。

对现在的CPU来说,提升性能只有三条路可走,要么提升频率,要么提升IPC(每周期指令数),要么就减少执行指令所需的数量。从难易程度上来说,减少指令数量最为复杂,提升IPC性能可以考增加CPU核心、改进架构,而直接提升频率是最为简单有效的。

CPU性能与频率、IPC、指令数的关系

不过CPU提频说起来容易,做起来男,因为频率增加又意味着功耗的增加,二者也是正比关系,所以如何提升频率但又不让功耗超标成了一件大事,特别是在多核CPU时代,设计者需要考虑4-8个核心高效率工作,频率管理将直接影响CPU的性能、发热及功耗。

Turbo Boost加速:多核CPU时代频率超车秘籍

在这样的背景下,原定固定(最高)频率运行的方式已经落伍了,2008年在Nehalem架构的Core处理器发布时,英特尔推出了第一代Turbo Boost加速技术,通过先进的算法来动态调节不同CPU核心的频率。

现在4核乃至8核已经普及多年,但是不是所有的操作都能100%利用多核心,所以实际使用中总会有CPU核心处于空载状态,Turbo Boost加速技术就实时监控CPU的活动核心数、功耗及温度,把不需要工作的CPU核心降至C0、C1等节能状态,把空出来的功耗空间增加到活动核心上,提高它的运行频率。

Turbo Boost能让部分CPU核心进入快车道

《道德经》里有句话叫做“天之道,损有余而补不足;人之道,损不足以奉有余。”对于Turbo Boost来说,英特尔的做法就是“人之道”,让无用的核心更慢,快的核心频率更快。

Turbo Boost 2.0:更高效更智能

第一代Turbo Boost加速技术主要考虑处理器的活动核心、功耗及温度,还不够智能,效率也不够高,英特尔在2011年的Sandy Bridge处理器上开始应用Turbo Boost 2.0加速技术(以下简称TB 2.0),这也是目前绝大多数英特尔酷睿处理器都在使用的睿频加速技术。

与第一代相比,TB 2.0睿频加速考虑的影响因素更多,除了温度、功耗、活动核心之外,还会考虑工作负载、电流等因素,所以效率更高、更加智能、更加动态。

此外,从2011年的SNB处理器开始,整合的GPU在处理器中位置也日益重要,英特尔称之为核显,CPU与GPU核心是同一芯片上的,而核显的频率也有了动态调节机制,所以CPU、GPU之间也共享功耗,在不同的负载中核显也有TB加速机制,比如在游戏种能获得更高的频率提升以增强游戏性能。

Turbo Boost 3.0:精挑加速核心,但限制更多

TB 2.0按说已经够用了,不过在2016年的Broadwwell-E发烧级平台上,英特尔又推出了Turbo Boost 3.0——准确地说,官方的叫法是Turbo Boost Max Technology 3.0(以下依然简称TB 3.0),相比TB 2.0能带来更高的加速频率,但是TB 3.0的限制也更多。

在TB 3.0中,英特尔表示借助它能将处理器的单线程、多核性能提升15%以上,这种宣传虽然有夸张的成分,不过TB 3.0在睿频机制上确实有很多不同,如下图所示:

在TB 3.0中,英特尔会将1-2个CPU核心定义为最佳性能核心,也就是说英特尔已经帮我们测试、精挑了用于加速的CPU核心,每个处理器的2个加速核心都不一样,然后尽可能提升这1-2个核心的频率,所以支持TB 3.0的处理器中我们会看到两个加速频率,一个是常规TB 2.0的,一个是TB 3.0的,后者的频率会比TB 2.0高一些,会多出100-200MHz的频率。

TB 3.0加速频率要比TB 2.0更高

以最顶级的Core i9-7980XE为例,基础频率才2.6GHz,TB 2.0加速频率4.2GHz,而TB 3.0频率可以提升到4.4GHz,对于一个18核处理器来说,4.4GHz的高频率可以保证它的单核、双核性能也足够强,否则就会面临尴尬——非多核优势项目中顶级Core i9会被Core i5/i3之类的处理器吊打一顿。

虽然睿频频率更高,但是享受TB 3.0还存在很高的门槛,首先是软件上的,TB 3.0原生支持Windows 10周年纪念版及之后的系统以及2017年之后的Linux系统,如果不是这些系统,那么就需要安装一个单独的TB 3.0软件,通过白名单的方式为不同的程序提供TB 3.0加速,建议不管什么系统还是装上最好。

最大的限制则是硬件上的,TB 3.0目前只支持消费级X99、X299平台的处理器以及部分服务器级的Xeon E5 v4处理器,而限制处理器的原因估计跟挑选CPU核心有关,顶级平台销量很少,英特尔有功夫帮消费者测试、挑选体质好的核心,但主流级市场的处理器销量庞大,英特尔没可能一一挑选了。

总结:

在多核处理器的时代,如果所有的应用程序、游戏都能完全利用所有核心,那是最好不过了,消费者购买4核甚至8核处理器不就是为了提高性能嘛,可惜现实情况不是这样,日常使用中大部分程序并不能占满CPU核心,Turbo Boost加速技术就是为了解决这样的问题,尽可能提升单核/双核频率以适应非多核优化的应用。

英特尔的Tubro Boost已经发展了三代,主要思路其实都是差不多的,就是综合考虑CPU核心的使用情况,降低非工作状态的的CPU核心到各种节能状态,省出来的空间留给负载中的CPU核心,尽可能提高CPU频率。这个思路在八代处理器以及Core i9处理器上尤其明显,Core i7-8700K的基础频率才3.7GHz,比Core i7-6700K、Core i7-7700K的基础频率低多了,但是4.7GHz的加速频率使其成为目前单核性能最强的Core i7处理器。

未来随着CPU核心数量的进一步增加,Turbo Boost睿频加速只会越来越重要,对消费者来说这不仅提升了CPU性能,更重要的一点是有了睿频加速,普通玩家折腾超频的必要性越来越低,这个问题跟GPU上的Boost加速也是一样的,官方加速频率越高,消费者超频的空间就越少。

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