我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)CPU的時(shí)鐘頻率非常高，但其實(shí)CPU為了減少功耗和熱量產(chǎn)生，并不是一直以最大時(shí)鐘運(yùn)行。由于電源傳輸電路需要時(shí)間來提升電壓和傳輸更高的電流，因此它們不能立即從一個(gè)時(shí)鐘速度切換到另一個(gè)。在本文中，我們將研究各種CPU從空閑時(shí)鐘到更高頻率的速度。讓我們從結(jié)論開始，然后以我們?nèi)绾芜M(jìn)行這個(gè)小實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

以下是一些CPU如何達(dá)到其最大提升頻率的簡要概述。單獨(dú)來看，這張圖并不能說明全部情況，因?yàn)樵S多CPU在提升之前，會(huì)在中間頻率上保持平穩(wěn)，而這遠(yuǎn)高于它們的空閑時(shí)鐘。

現(xiàn)在，讓我們分析一下這些CPU上的時(shí)鐘斜坡行為。

Zen 3于2020年底推出，雖然即將被Zen 4取代，但現(xiàn)在它仍然是最新的廣泛可用的AMD架構(gòu)。在移動(dòng)形式（Cezanne）中，我們可以看到非常快的頻率斜坡行為，甚至能夠在幾毫秒內(nèi)達(dá)到3.7GHz。不過，我們并沒有看到核心提升到4.4 GHz，也許一段時(shí)間后就能達(dá)成，顯然目前測試還不能運(yùn)行足夠的迭代。

盡管如此，3.7GHz的速度仍足以提供良好的用戶體驗(yàn)。

AMD Zen 2架構(gòu)于2019年首次推出，主要應(yīng)用于移動(dòng)、桌面和服務(wù)器。在臺(tái)式機(jī)（Matisse）上，Zen 2內(nèi)核的啟動(dòng)頻率為1.7GHz，提升時(shí)間稍長，16毫秒后才達(dá)到4.3 GHz。在3950X上，最好的盒式內(nèi)核在4.3 GHz下穩(wěn)定一毫秒，17.45毫秒后達(dá)到4.7 GHz。從時(shí)鐘斜坡行為來看，雖然Zen 2比Zen 3慢，但考慮到17.45毫秒是57 FPS的單幀，所以Zen 2的速度仍然很快。

Mobile Zen 2（Renoir）更令人印象深刻，在9毫秒多一點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)達(dá)到4.3 GHz。為了節(jié)省電力，Renoir以較低的1.4 GHz時(shí)鐘速度啟動(dòng)。

Ryzen 9 3950X在ASRock X570M Pro4上測試，Ryzen4800H則是在Eluktronics RP-15筆記本電腦上測試。

Skylake于2015年問世，但由于英特爾多年沒有給臺(tái)式機(jī)市場帶來新架構(gòu)，因此Skylake的影響力一直持續(xù)到2020年。英特爾在Skylake上首次推出了一項(xiàng)名為“Speed Shift”的技術(shù)，該技術(shù)將處理器電源狀態(tài)控制交給CPU，而不是讓操作系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)換?？犷5-6600K充分展示了這一功能，僅在5.62毫秒后就達(dá)到了其最大的增益時(shí)鐘3.9 GHz。

Kaby Lake是2017年Skylake架構(gòu)的更新版本，但表現(xiàn)相比Skylake卻差別很大，需要31.5毫秒才能達(dá)到2 GHz。其4.5 GHz的最大升壓時(shí)鐘要到62.54 ms才能達(dá)到。

我懷疑這與在OEM系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的i7-7700K有關(guān)，主板是采用Intel C236芯片組的HP 802F，同時(shí)，i5-6600K安裝在MSI Z170A Gaming Pro Carbon中，這是一款相當(dāng)普通的發(fā)燒友主板，應(yīng)該不會(huì)帶來任何意外驚喜。

Piledriver是AMD 2012年的架構(gòu)。一般來說，F(xiàn)X-8350顯示的時(shí)鐘斜坡行為與客戶端Haswell類似，需要近80毫秒才能達(dá)到其最大提升時(shí)鐘。然而，Piledriver在47毫秒后就達(dá)到了令人滿意的3.4 GHz，這意味著CPU的響應(yīng)速度應(yīng)該比最大提升速度所需的時(shí)間更快。

如果Windows電源計(jì)劃將最小CPU狀態(tài)設(shè)置為100%，那么FX-8350即使在空閑時(shí)也將保持在1.35V左右。在這種模式下，Piledriver表現(xiàn)出極快的增強(qiáng)性能，在不到五分之一毫秒的時(shí)間內(nèi)從1.41 GHz提升到4.1 GHz，并在一毫秒多一點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)達(dá)到4.2 GHz的最大增強(qiáng)時(shí)鐘。這表明大部分時(shí)鐘延遲來自于等待電壓增加。

FX-8350安裝在Gigabyte GA-990FX-Gaming板中。

英特爾2013年推出的Haswell架構(gòu)幫助英特爾鞏固了在臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器市場領(lǐng)域強(qiáng)大的領(lǐng)先地位。它采用英特爾的22納米FinFET工藝，推出了AVX2，并提供了比前代產(chǎn)品更高的高速緩存帶寬。在客戶端上，Haswell的增強(qiáng)行為與同期的其他CPU類似。臺(tái)式機(jī)Haswell在31毫秒后達(dá)到中等2.5 GHz，僅在60毫秒后就達(dá)到高時(shí)鐘。Mobile Haswill的升壓行為更為保守，47毫秒后達(dá)到2 GHz，79毫秒后達(dá)到最大時(shí)鐘。

提前達(dá)到中等時(shí)鐘可能會(huì)讓Haswell感覺比最大時(shí)鐘時(shí)間數(shù)據(jù)所顯示的反應(yīng)更靈敏一些。盡管如此，它的速度還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上Skylake的“速度轉(zhuǎn)換”。

Core i7-4712HQ在Dell Precision M3800筆記本電腦上測試，i7-4770則是安裝在華碩Q87M-E板上。

此前，在一個(gè)并不遙遠(yuǎn)的Galaxy中，英特爾主導(dǎo)了高端臺(tái)式機(jī)市場。在那時(shí)候。如果你想要四個(gè)以上的內(nèi)核，就需要付錢給英特爾，并且很樂意這樣做?；仡櫮切?duì)英特爾來說十分輝煌的時(shí)期，我們可以看到英特爾的HEDT芯片很快就達(dá)到了中間時(shí)鐘，但卻花了很長時(shí)間才達(dá)到最大提升時(shí)鐘?；赟andy Bridge的Xeon E5-1650達(dá)到3.2 GHz的基本時(shí)鐘所需的時(shí)間與客戶端Haswell達(dá)到最大提升時(shí)鐘所需的時(shí)間大致相同。此后，它等待了近半秒鐘才上升到其3.8GHz的單核渦輪頻率。而Hedt Haswell在某種程度上更好，在大約三分之一秒內(nèi)達(dá)到最大時(shí)鐘速度，但我這次測試的是一個(gè)相當(dāng)?shù)偷臅r(shí)鐘Haswell SKU。

與英特爾的臺(tái)式機(jī)和移動(dòng)平臺(tái)不同，HEDT芯片的起始頻率略高，為1.2 GHz，而英特爾的臺(tái)式機(jī)和移動(dòng)平臺(tái)的空閑頻率通常為800 MHz。我想知道我們在這里看到的非常長的時(shí)鐘斜坡時(shí)間是否是故意的，目的是為了降低短期任務(wù)的功耗。

Xeon E5-1650使用的是惠普1589主板和C602芯片組，而E5-2630 v3使用的是戴爾0K240Y主板和C612芯片組。我相信這些主板名稱對(duì)你來說很有意義，因?yàn)樗鼈儗?duì)戴爾和惠普來說也很有意義。

Goldmont Plus是英特爾2017年推出的低功耗架構(gòu)，它是一種3寬架構(gòu)，具有無序執(zhí)行功能，比2010年代早期的Atom芯片更強(qiáng)大，但也不打算在臺(tái)式機(jī)領(lǐng)域上競爭。與當(dāng)代Skylake架構(gòu)不同，它似乎沒有實(shí)現(xiàn)“速度轉(zhuǎn)換”，需要47毫秒才能達(dá)到2.6 GHz。

Goldmont Plus在一些“ Coofun ”品牌的GK41小型PC上進(jìn)行了測試。別再問了，這在當(dāng)時(shí)聽起來是個(gè)好主意。

驍龍670是一款2018年推出的中端手機(jī)SoC，有兩個(gè)Cortex A75核和六個(gè)大家都喜歡的Cortex A55核。A75核心達(dá)到2 GHz，而A55核心達(dá)到1.7 GHz。A75核上的頻率斜坡非常快，而A55核需要更長的時(shí)間才能達(dá)到最大時(shí)鐘速度。奇怪的是，當(dāng)手機(jī)插上電源時(shí)，A55內(nèi)核增加時(shí)鐘的速度更快，而A75內(nèi)核在電池供電的情況下提升頻率的速度更快。

另一個(gè)有趣的細(xì)節(jié)是，A55內(nèi)核的起始頻率非常低，為600 MHz，而A75內(nèi)核的起始頻率略高于800 MHz。

Snapdragon 670在Pixel 3A中進(jìn)行了測試。

高通的驍龍821最出名的可能是它不是驍龍810，但它是一個(gè)非常獨(dú)特的芯片，盡管緩存設(shè)置不同，高性能和低功耗的內(nèi)核實(shí)際上使用的是相同的Kryo架構(gòu)。Kryo是一個(gè)4寬的失序內(nèi)核，擁有4個(gè)alu和相當(dāng)厲害的重排序能力，因此驍龍821擁有當(dāng)時(shí)最大的“小”內(nèi)核。遺憾的是，高通在實(shí)現(xiàn)緩存方面的表現(xiàn)非常糟糕，不過這是另一個(gè)故事了。

無論是在手機(jī)電池耗盡還是在電池充滿電的情況下插入，Little Kryo的行為都是相似的。任何一種模式都會(huì)導(dǎo)致內(nèi)核在逐步提升后，還需要超過200 ms才能達(dá)到1.59 GHz.電池模式似乎只是將空閑頻率降至非常低的300 MHz。在交流電源上，它們的空閑頻率為600 MHz。

Big Kryo也具有類似的空閑頻率差異，但在使用交流電源時(shí)，時(shí)鐘斜坡要快得多。如果手機(jī)充滿電并連接到電源，則在20毫秒內(nèi)可達(dá)到2.34 GHz，但使用電池則需要將近400毫秒。這種行為可能是故意的，以防止內(nèi)核消耗大量能量來完成非常短的任務(wù)。有趣的是，當(dāng)手機(jī)使用電池時(shí)，little Kryo實(shí)際上比Big Kryo高出一點(diǎn)點(diǎn)，從100到300毫秒。

Snapdragon 821在LG G6上進(jìn)行了測試。

作為獎(jiǎng)勵(lì)，我們在KX-6640MA中測試了兆信的陸家嘴架構(gòu)。此CPU的數(shù)據(jù)使用舊版本的測試收集，該測試通過按鍵來啟動(dòng)數(shù)據(jù)收集，而不是休眠五秒鐘。事實(shí)證明，按鍵本身可能需要幾毫秒才能傳送到程序，導(dǎo)致測量精度略低。不過，有足夠的數(shù)據(jù)表明，陸家嘴有相當(dāng)快的時(shí)鐘斜坡行為，它增加時(shí)鐘的速度比Goldmont Plus快，但不如Zen 3或Skylake。

我們的測試執(zhí)行已知數(shù)量的相關(guān)整數(shù)加法，在絕大多數(shù)CPU上以每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行一次。如果我們計(jì)算執(zhí)行一定數(shù)量的相關(guān)加法所需的時(shí)間，我們可以用它作為CPU周期數(shù)的代理，從而計(jì)算時(shí)鐘速度。雖然CPU不能立即改變時(shí)鐘速度，但很多能比我們使用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)API（如gettimeofday或ftime）精確測量的速度更快。

Estimating clock speed via integer addition latency on x86

因此，我們使用x86上的RDTSC（讀取TSC或時(shí)間戳計(jì)數(shù)器），或ARM上的CNTVCT_EL0（計(jì)數(shù)器定時(shí)器虛擬計(jì)數(shù)寄存器）來測量時(shí)間差。重復(fù)上述過程，我們希望在幾次迭代之后看到時(shí)鐘速度的提高（RDTSCor CNTVCT_EL0增量更?。?。然后，我們通過測量gettimeofday和rdtsc/cntvct_el0的大時(shí)間差（約2秒），分別確定rdtsc或cntvct_el0增量與實(shí)時(shí)差的對(duì)應(yīng)關(guān)系。盡管計(jì)時(shí)精度最終會(huì)受到rdtsc和cntvc_el0開銷的限制，但這種設(shè)置使我們能夠獲得低于毫秒的準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。

另一個(gè)有趣的注意事項(xiàng)是，ARM CPU上的CNTVCT_EL0提供的精度略低于x86 CPU上的RDTSC。x86 CPU傾向于在基本時(shí)鐘上遞增時(shí)間戳計(jì)數(shù)器。例如，F(xiàn)X-8350的時(shí)間戳計(jì)數(shù)器將每納秒遞增四次，來對(duì)應(yīng)于其4GHz基本時(shí)鐘。Snapdragon 670和Snapdragon 821內(nèi)核大約每50納秒增加一次CNTVCT_EL0。