CPU 单核性能为什么难以提升？

CPU单核性能提升，在业界一直都是一个绕不开的话题。虽然CPU能够通过增加核心数量的方式来提升多核性能，但是在复杂的应用场景中，单核性能的强大依然不可或缺。为什么这么说呢？一方面，多核性能的强悍是基于每个单核性能强共同发挥作用的结果；另一方面，许多软件任务只能积极调动单核性能，依赖单核发挥作用。

但是CPU的单核性能，近年来确实在整体上提升步伐较为缓慢。比如说2010年发布的Intel i7-970，其单核采用westmere架构，CPU主频为3.2GHz，拥有12MB大容量三级缓存，作为旗舰芯片不论是性能还是稳定性都非常成熟。在后面的十年里，旗舰芯片单核性能的提升空间，相比于多核来说并不大。

CPU的单核性能，取决于指令集、时钟速度、缓存和制程等多个因素。近年，制程对旗舰芯片性能的影响并不大。而现阶段中，CPU单核性能发展的瓶颈已经慢慢显露出来。

第一个CPU单核性能提升难以突破的问题是：CPU中单个指令所需时钟周期长。在CPU单核任务中，后序指令依赖前面指令计算结果。

CPU 每秒要处理来自不同程序的众多指令，CPU 每秒执行的周期数，以 GHz（千兆赫）为单位，CPU中单个指令所需要的时钟周期越长，那么CPU每秒执行的周期数就越少，时钟速度就越低。

过去增加计算单元ALU来提升单核性能，但单纯增加ALU会使recorder单元扇入过大，使模块内聚程度低，阻碍CPU时钟速度提升。

第二个问题是缓存大小和读取速度不足。L1级缓存读取速度快但是空间小。L2、L3级缓存空间大，但速度慢；缓存小或慢，会拖CPU单核性能后腿。

甚至在近几年，许多处理器的单核性能与缓存大小、读取速度有很强的关系，让许多游戏玩家下了“缓存越大，打游戏越流畅”的结论。

那么CPU厂商如何进行CPU单核性能提升突破的？我这里以英特尔第12代酷睿桌面级处理器为例给大家示范。

第一， 通过架构升级，实现每时钟周期指令数IPC提升。英特尔第12代酷睿桌面级处理器采用的性能核（P-Core）（Golden Cove架构），相比于上一代的Cypress Cove，实现了19%的IPC提升，也就是说在同样的时钟速度（频率）下，处理器的性能也提升了。

第二， 如果想要提高计算速度，对程序指令的控制也很重要。比如说加快指令拾取和解码的速度，这样能够在指令计算前端部分就提高速度。

12代酷睿桌面级处理器，在性能核（P-Core）上，将解码器宽度由4个升级为6个，每时钟周期执行uop从6个增加到8个，解码长度从16字节增长到32字节。而且编码预期还改进了分支预测精度，分支目标增加；乱序引擎分配从5路增加到6路，执行端口从10个增加到12个。在前端部分，大大减少了指令拾取和解码的时间。

在指令集方面，能效核（E-Core）还率先支持了AVX2指令集，支持AI操作新拓展等技术。

第三， 在载入和存储部分，性能核（P-Core）通过AGU增加专用的执行端口，载入缓冲和存储缓冲更深，载入延迟更低。

而且能效核（E-Core）的指令缓存增大至64KB，并且增加使用了双载入、双存储单元的配置，二级缓存增大至4MB，并且支持深度缓冲和高级预取器。

而且能效核（E-Core）的指令缓存增大至64KB，并且增加使用了双载入、双存储单元的配置，二级缓存增大至4MB，并且支持深度缓冲和高级预取器。

这样一来，不论是在时钟速度、指令集计算需要耗费的时钟周期长短上，还是在缓存大小及速度上，CPU单核都能取得不错的进步。比如说单核单线程对比下，英特尔第12代酷睿桌面级处理器中的能效核（E-Core）同频延迟性能相比于六代酷睿提升了40%以上。

而英特尔第12代酷睿桌面级处理器在Geekbench5跑分测试中单核成绩也达到了2800分左右，相比于三年前的i9-9900K又翻了一倍，其单核采取的升级策略显而易见取得了成效。

综上所述，目前CPU单核性能提升的路径和方法不外乎在指令集、CPU时钟速度和缓存上下功夫。在未来或许还有将CPU和内存封装在一起的方案来提升对指令调取的预测，但所需要付出的成本更大，所以暂时还不在厂商大规模制造的考虑中。

虽然CPU多核性能提升是近年来CPU厂商的主流方案，但是CPU单核性能提升带来的好处也是不容忽视的，特别是对部分应用和游戏来说，单核性能决定了其最终表现，追求单核性能强大的处理器的用户，近期也可以关注英特尔第12代酷睿桌面级处理器系列里的i9-12900K、i7-12700K这类产品。