问题

为什么电脑 CPU 不像手机 SoC 那样设计成大小核?

回答
问得好!这确实是一个不少人在使用电脑时会留意到的点,为什么我们手机里的处理器( SoC,System on a Chip)能把大核心和小米(这里用“小米”是个比喻,指小核心)核心整合在一起,来兼顾性能和续航,而我们桌面的台式机或者笔记本里的 CPU,好像就都是一个样的核心呢?这里面学问可就大了,不是简单地“能不能”的问题,而是“为什么要”以及“这样做的好处和代价”的问题。

首先,咱们得明白电脑 CPU 和手机 SoC 的设计哲学在根本上就不太一样。

手机 SoC 的出身与使命:续航至上,万物集成

手机这玩意儿,你一天得用好几次,而且还得指着它跑一整天,没电了就相当于一块砖头。所以,续航是它最核心的需求之一。同时,手机里除了 CPU,还得集成 GPU、基带(处理信号)、ISP(图像处理器)、NPU(神经网络处理器,用于AI计算)、内存控制器、电源管理单元等等一堆东西。这整个一块芯片得把所有这些功能都包圆了,这就是 SoC 的精髓——高度集成,追求极致的效率和功耗控制。

在这种背景下,大小核(或称大小核架构、big.LITTLE、Hybrid Architecture)的出现就显得顺理成章了。

大核心(big cores):就像是跑马拉松里的冲刺选手,它们通常拥有更高的主频、更多的执行单元、更大的缓存,能处理那些需要强大计算能力的重活儿,比如玩大型游戏、编辑视频、运行复杂的应用程序。但是,它们也像个耗油大户,功耗和发热都更高。
小米核心(LITTLE cores):这就像是长跑的耐力选手,它们主频不高,执行单元也少,但非常省电。它们主要负责处理那些不需要太多算力的“日常事务”,比如待机、接收通知、播放音乐、浏览网页、刷社交媒体等。这些任务看似简单,但数量庞大,如果都用大核心去跑,那电池根本吃不消。

大小核架构通过一个智能调度器(通常由操作系统或专门的驱动程序控制),根据当前的任务负载动态地在大小核之间切换。需要高性能时,就启动大核心;不需要时,就让小米核心出马,或者干脆让大核心休眠,最大限度地节省电量。这就像你在开车时,市区里缓速行驶时用经济模式,高速上超车时才切换到运动模式。

电脑 CPU 的逻辑:性能第一,专业分工

相比之下,电脑(无论是台式机还是笔记本)的设计思路则更为“粗犷”和“专业”。

1. 供电和散热的优势: 电脑有电源适配器或插座提供的稳定、大功率电力供应,散热系统也比手机强大得多(风扇、散热铜管、大面积的散热片)。这给了 CPU 更大的“挥霍空间”,可以设计得更强劲,对功耗的顾虑不像手机那么极致。
2. 任务类型的差异: 电脑上运行的任务普遍比手机要复杂和耗能。游戏、专业软件(如视频编辑、3D渲染、编程开发)、多任务处理等,都需要持续的高性能输出。虽然也有一些轻量级任务,但电脑的整体工作模式更倾向于“需要时就全力以赴”。
3. 性能的直接需求: 许多用户购买电脑就是为了追求极致的性能。他们可能需要同时运行多个大型程序,进行复杂的科学计算,或者享受最高画质的游戏。在这种情况下,CPU 的每个核心都尽可能强大,才能满足这些用户的需求。引入小米核心来处理轻量级任务,虽然能省点电,但对于追求极致性能的用户来说,这可能会引入调度上的延迟,或者核心数量的“稀释”,反而影响了整体的性能感知。
4. 指令集和架构的成熟: 目前主流的电脑 CPU 架构(如 x86)在发展过程中,已经形成了一套非常成熟和优化的指令集和流水线设计。将大小核整合进来,需要对整个指令集、调度器、缓存管理、功耗管理等方面进行大规模的重构和优化,这不仅技术难度高,而且可能要牺牲一部分现有的性能优势或兼容性。
5. 市场定位和用户习惯: 长期以来,电脑用户已经习惯了“核心越多越好”、“频率越高越好”的性能认知。厂商在推广和设计上也更倾向于提供更多同质化的高性能核心,以满足主流市场的需求。如果突然引入大小核,可能会让一部分用户感到困惑,或者担心小米核心会拖累整体性能。
6. 散热和供电的瓶颈限制: 即使电脑有更好的散热和供电,但每一个核心的功耗和发热仍然是有限制的。如果所有核心都设计成与手机大核心同等水平,那么在一个 CPU 里塞入几十个(甚至更多)这样的核心,会立刻超出散热和供电的极限。反之,如果所有核心都设计成手机小米核心的水平,那也无法满足电脑的性能需求。

所以,为什么电脑 CPU 没有设计成大小核?

不是“不能”,而是“不划算”或者“不是最优解”,至少在目前的主流设计理念下是如此。电脑 CPU 更倾向于在相同的制程下,尽可能地设计更强大、更均衡的“通用”核心。

当然,这并不意味着电脑 CPU 就完全没有“性能分级”的概念。例如:

核心数量的差异: 低端 CPU 可能只有几个核心,高端 CPU 则有十几个甚至几十个核心,这本身就是一种性能分级的体现。
缓存大小的差异: 高端 CPU 通常拥有更大的三级缓存,能够提升数据访问速度,间接提升性能。
睿频和超线程: 像英特尔的 Turbo Boost(睿频)技术,可以在需要时临时提高核心的运行频率,这有点像大小核的“动态加速”思路,但它是在同一个核心上实现的,而不是切换到不同类型核心。超线程(HyperThreading)则是在一个物理核心上模拟出两个逻辑核心,提升并发处理能力。

未来的可能性?

随着技术的进步,这个界限也可能变得模糊。例如,英特尔在最新的酷睿 Ultra 系列处理器中,就已经引入了“Pcores”(性能核心)和“Ecores”(能效核心),这其实就非常接近大小核的概念了。AMD 也在探索类似的混合架构。

之所以现在才开始在电脑 CPU 上引入类似大小核的架构,可能是因为:

制程工艺的进步: 更先进的制程工艺使得在同一块芯片上集成更多类型、更优化的核心成为可能。
AI 和机器学习的兴起: 这些任务对能效比的要求越来越高,使得混合架构的优势得以凸显。
操作系统和软件的成熟: 调度器和应用程序的优化也越来越能支持这种异构计算模型。

总而言之,电脑 CPU 和手机 SoC 在设计上的差异,是它们各自不同的应用场景、功耗限制、性能需求以及技术发展路径决定的。电脑更侧重于提供强劲且均衡的通用计算能力,而手机 SoC 则是在高度集成的前提下,极致追求能效比和续航。现在,随着技术的发展,这种界限也正在逐渐被打破,我们可以期待在未来的电脑 CPU 上看到更多借鉴手机 SoC 设计思路的创新。

网友意见

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扫了一圈答案,没看到我想要的,我来说几点我的看法。

首先,有几个事实必须要明确:

1. Intel也有低功耗的需求场景,Intel也做物联网和低功耗设备
2. Intel有足够的技术能力设计出大小核的CPU。
3. Intel产品强调的是兼容性和产品的延续性——这是重点。

所以,我认为所有在讲不需要关注功耗、睿频能解决功耗、ATOM架构功耗低的回答都是片面的。

首先,前两条一起来说:不管是需求方面,还是设计能力,Intel都有对应的市场和相应的技术能力。Intel有做物联网方面的需求,也有极低功耗的设备的需求,至于对应的技术能力,Intel更是没问题,大小核又不是多复杂的东西,异构多核都能做出来,况且Intel还收购了Altera——本身就是冲着异构多核去发展的,做不出来是不可能的,况且在小核上真就搞不出SIMD指令?真要做,Intel会没这个实力?。

那么,Intel不做大小核的原因,无非就是一点:跟现有的产品特性不一致,在兼容性和延续性上达不到Intel的要求——不管是产品特性还是企业发展本身。

其实很多人在讨论功耗的时候,多数情况下只关注到了频率这一项。确实,根据公式,主频确实是影响功耗的一个关键因素,但仅仅只有主频吗?有人会提到Intel是CISC,ARM是RISC,架构不一样,但同为RISC的MIPS和PPC功耗并不低,况且ARM也尝试进军服务器市场,ARM的服务器级别的CPU功耗一样很高。况且Intel的睿频也并不能像ARM那样降低多少功耗,ARM的大核是小核的性能的一倍多,功耗只有10%多一些,但Intel的睿频差距能达到4倍甚至更多,功耗差距却没ARM那么大。真要考虑算力功耗比,显卡可比CPU省电多了。所以主频只是影响功耗的一方面,还有别的因素影响了功耗。

在Intel和ARM的架构上,对于编写操作系统的人来说,最明显的区别是对于cache的处理,看CPU的结构图,cache占的地方基本上是最大的,功耗方面,cache也是的大头,并且多数情况下,除了L1 cache以外,cache多数都是共享的,那么即使某个核心关掉了,cache也不能关。结构图不贴了,别的回答里有。

关于功耗的问题,可以看看这个问题下的答案:如何看待 19 岁少年想做出在目前 Intel 同等计算性能下降低 80% 功耗的全新电路系统芯片?

注意一条:这个CPU,没有cache

所以cache对功耗的影响是很大的。在ARM上写驱动和操作系统,需要很小心的维护cache的一致性,否则就容易出错,而在x86上写操作系统就相对简单的多。

除了cache的问题,还有像memory ordering这类的区别(参见:Memory ordering - Wikipedia Intel架构是X86和AMD64,那个叫IA64的不是我们常见的Intel CPU架构)。

在现代的CPU里,这些区别其实是功耗的大头,而Intel和ARM的最大不同也就是这些。主频降下来很容易,架构改变很难

如果Intel的cache需要像ARM一样不友好,那么Intel的CPU也许会很省电,但写操作系统的人肯定会骂娘——难用、兼容性差,老代码跑起来会有问题

大小核看上去很美好,但核间迁移的效率极低,过去甚至需要以毫秒计算,要知道CPU的指令都是纳秒级的。

所以,假设Intel做了大小核,如果仍然沿用现有的cache设计和内存模型,那么功耗并不会降低多少,因为Intel CPU即使降低主频也不会多省电——这就是睿频的思路(手头的4770K倍频8~39)。

况且核间迁移是一个很考验cache设计的问题,Intel的cache设计已经是很复杂了,比ARM复杂的多。

所以,是这些兼容性和产品特性的问题,导致了Intel不会选择做大小核——不是做不出来,也不是不值得做,真要做出来,也肯定不叫x86,而是别的名字(比如已经基本完蛋的IA64)。


题外话:当年Intel做ATOM架构的时候,最初是要放弃兼容性的设计的,当时ATOM团队很是兴奋,因为如果放弃了x86的兼容性,CPU功耗问题就解决了,但最后还是决定要保持兼容性,所以,结果大家也都看见了,功耗问题依然没得到解决。


没图,截图太麻烦了。


还有一个相关链接:如何评价神威太湖之光打败天河二号在超算 Top 500 榜单中登顶第一?



有人提到了Lakefield是大小核设计,补充一下这个吧:

首先,这个东西喊了有一阵了,但没见产品出来,我严重怀疑这里有什么特殊的情况。从一些社区的讨论上看,主要的争议是:Intel的大小核设计究竟能省多少电?如果小核是CoreM的话,意义其实不是很大,反倒是让人觉得是多核产品良品率不足的次品,如果不是CoreM的话,那就涉及到整个指令集层面上的更新了,Intel需要为这套全新的东西写一套全新的手册,这对于系统开发人员来说很不友好。

况且,我前面也说了,保持兼容性的话,功耗是降不下去的。

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