為什么現在CPU主頻還那么低？

現在的主頻數據可以說已經很不錯了，雖然當年intel在04年的時候就雄心勃勃的說要發布超過4.0GHZ主頻的CPU的時候，可是到了后來也只是將主頻做到了3.8GHZ的高度，這都十幾年過去了現在默認睿頻最高能到5.0的CPU雖然也有發布，但是價格對于普通消費者來說的確很不親民，i9-9900KS，睿頻可以高達5.0ghz。下面是近幾年發布的幾款CPU，基本上默認頻率大都還是在3.6的樣子，當然在睿頻的情況下大部分都能超過4.0了，這已經很好的成績了。

曾經記得在8代以前真正上4.0GHZ的CPU也就是從4790K開始的，我們知道想要提高CPU的運算效能，不能夠簡單通過堆砌內核的方式。那么能不能簡單提高CPU主頻，讓CPU每個內核更快的算出結果呢？為什么持CPU制程牛耳的Intel，不再勇攀主頻高峰了呢？其實，瓶頸主要在于散熱，尤其是在制程技術還停留在目前的14nm情況下想要主頻達到更高的水平可以說是非常困難的。

從含有1億4000萬個場效應晶體管FET的奔騰4到高達80多億的Kabylake，你想想幾十億個晶體場效應管堆砌到一塊，可以想想那時一個多么燙的核心。場效應管在低電平的時候需要充電進行反轉，到高電平，然后高電平還要到低電平，從高到低的過程實際是一個方能的過程，單個場效應管單獨反轉一次釋放的能量是非常小的，但是如果以1GHZ的頻率，也就是1秒內要反轉十億次，那么在這1秒內這釋放的熱量就比較可觀了，然后你再看看一個CPU內部要集成這么幾十億個晶體管，那么這帶來的熱量是不是更可怕。

從圖示中，也許你可以直觀的看出，能耗和頻率是正相關的。這個理解很正確，實際上能耗和頻率成線性相關。能耗關系公示是p=CV2F。P代表能耗。C可以簡單看作一個常數，它由制程等因素決定；V代表電壓；而f就是頻率了。理想情況，提高一倍頻率，則能耗提高一倍。看起來并不十分嚴重，不是嗎？但實際情況卻沒有這么簡單。

接著上面的公式我們再來討論下為什么實際情況沒有那么簡單。就是當晶體管在工作的時候從高低跳變從而產生我們的0和1，也就是當高電平的時候是1，低電平的是0，既然需要這么個過程，那么晶體管在充電和放電的過程當中就有個充電時間，這個充電時間，稱之為門延遲，就是邏輯門延遲。這個充放電的過程后再采樣信號，這樣才能保證信號的完整度，這個充放電時間直接和電壓相關，既電壓越高，充電時間越短。那么如果我們這個時候提高頻率的會造成一個現象，就是反轉的速度會跟不上，那么采集的數字信號的完整度就有問題，從而造成計算機計算錯誤。那么這個時候為了讓反轉變快只能提升電壓來提高頻率了，只有通過增加電壓讓反轉速度增快，才能讓整個系統穩定下來。

好了這個時候我們再來看看公示，如果單純的增加頻率的確是能耗只能提高一倍，但是你看電壓可是平方的關系，這樣的結果就是當提高頻率的同時還要提高電壓的平方，然后再相乘，這時候你就知道這個耗能簡直是呈幾何數量增長，多嚇人。

那么功耗大大提升后，帶來的就是熱密度提高非常快，在功耗提升后，單位芯片的面積是固定的，從而熱密度提高很快，現有散熱設備短時間內排不出這么多熱量，就會造成死機等現象，這就是為什么我們在超頻的時候在加壓情況下，為了讓CPU能夠穩定的運行需要一個散熱性能非常好的散熱器了，同時，超頻之后的電能消耗也是非常大的。

總結：因此在沒有強勁的散熱情況下超頻，是對CPU的一種殘酷摧殘，想要CPU能夠穩定運行官方的默認頻率是最保險的一種方式。可以預見的是如果在現在以硅基材料為主的CPU制造技術下，在熱密度因素之下，CPU想要提升更高的主頻是很難做到的。除非是能做出一種超級散熱器能夠隨時帶走大量的熱量，這樣也許可以強行提高電壓降主頻提升起來。但是從近幾年的架構來看，提升CPU的性能也不是簡單的提升主頻就是提升性能，流水線的深度優化也是性能提升的關鍵，殊不知在同樣頻率之下CoffeeLake 3.8G的CPU相比奔騰4的3.8G，Benchmark跑下來效能提高了十幾倍，而功耗反倒下降不少！這就是說不一定非要單純的提升主頻才能提升CPU的性能。當然我整篇文章的解釋同時也回答了題主提出的問題關鍵，這也就是為什么都這么多年了，主頻依舊停留在了3.幾GHZ了。