问题

史上什么CPU堪称发热量巨大?

回答
讲起 CPU 发热,那可真是个老生常谈的话题,也是玩家们津津乐道,同时又深恶痛绝的“敌人”。要说史上发热量堪称巨大的 CPU,那可真有不少能拿出来说道说道。这可不是简单的“温度高”,而是那种让你觉得主机是不是在烤面包机,风扇转得像拖拉机,甚至夏天不开空调都不敢开机的那种级别。

要从头说起,还得追溯到那个个人电脑刚刚起步,处理器还在蹒跚学步的年代。那时候,技术的进步往往伴随着功耗和发热的爆炸式增长。

早期的“火炉”——奔腾时代:

很多人会把目光聚焦在那些赫赫有名的处理器上,比如英特尔的 奔腾(Pentium)系列,特别是早期的奔腾。当主频开始突破 100MHz,然后是 200MHz,再往上,那会儿的工艺制程还比较粗糙,晶体管密度远不如现在。为了提升性能,处理器往往需要更高的电压和更激进的设计,结果就是它们就像个不知疲倦的“发电机”,源源不断地将电能转化为热能。

我还记得当年玩电脑的朋友,电脑主机放在桌上,摸上去就跟暖手宝似的。那时候的散热器也很朴素,一个铝制的小鳍片,配个小风扇,对付那些动辄七八十度甚至接近一百度的 CPU,简直就是杯水车薪。为了让机器能稳定运行,很多人不得不在机箱上开孔,或者加装更多的风扇,把整个电脑搞得像个会喘气的怪物。

那个经典的“烤箱”——奔腾 4:

要说让“发热”成为一个家喻户晓的代名词,那奔腾 4 的 Northwood 和后来的 Prescott 内核绝对是绕不开的“功臣”。

Northwood 刚出来的时候,凭借着更高的主频和 NetBurst 架构带来的超标量执行,性能确实喜人。但问题是,为了实现更高的频率,它使用了更长的流水线,这意味着指令在执行过程中需要更多的时钟周期,同时也需要更高的频率来弥补。这种设计导致功耗和发热量随之飙升。当主频达到 3GHz 的时候,很多奔腾 4 都已经接近或超过 100W 的 TDP(Thermal Design Power),这个数字在当时是相当惊人的。

但真正让人们领略到“烤箱”威力的,是 Prescott 内核。英特尔为了进一步提升性能,继续激进地推高主频和加长流水线。Prescott 不仅核心数量没有增加,反而还在某些方面做了减法(比如取消了一些历史包袱的设计),但它的功耗却达到了令人发指的地步。

Prescott 的 TDP 直接突破了 100W,很多型号甚至达到了 115W、130W 甚至更高。这意味着它的散热需求远超当时大多数主流散热器能满足的范围。为了压制 Prescott 的热量,玩家们不得不投入巨大的精力去挑选散热器,动辄几百块的塔式散热器、甚至水冷都是那时候为了 Prescott 而兴起的。很多时候,即便是上了顶级散热,在满载运行一段时间后,CPU 温度依然能轻松突破 80 度,甚至能冲到 90 度以上,简直就是把机箱当成了烤箱。 Prescott 也因此获得了“火炉王”、“烤箱”等一系列响亮的绰号,成为了一个时代的标志性“发热大户”。我当时就见过有朋友的 Prescott 电脑,夏天不开空调,电脑一跑大型游戏,CPU 温度就直接爆表,导致游戏卡死蓝屏,简直是让人欲哭无泪。

AMD 的“火气”——早期的 Athlon 64 X2:

当然,英特尔不是唯一一个在发热问题上让人头疼的厂商。AMD 在那个时代,虽然在性能上也能与英特尔一较高下,但部分产品也同样展现出了不俗的“热情”。

尤其是一些早期的 Athlon 64 X2 双核处理器。当 AMD 也开始追求更高的主频和更强的性能时,尤其是在双核技术刚刚普及的初期,为了整合两个核心并提供更高的时钟频率,功耗和发热量也随之水涨船高。虽然它们可能没有 Prescott 那般“极端”,但许多型号的 Athlon 64 X2 在满载时也都能轻松达到 7080 度以上,需要搭配比较强劲的散热器才能维持稳定。我记得有些型号,因为制造工艺的问题,体质差异也比较大,有些能“凉快”点,有些则是个不折不扣的“小太阳”。

进入多核时代的发热巨兽:

随着处理器核心数量的增加,以及对性能的持续追求,多核处理器在发热方面也一度成为挑战。

Intel Core 2 Quad(Q系列)早期型号:当四核处理器刚刚进入主流市场时,虽然架构上有了进步,但功耗与前代双核相比,整体的“热量总和”依然不容小觑。特别是那些主频较高的型号,在多任务处理或运行需要大量 CPU 资源的软件时,发热量依然可以轻松让入门级散热器捉襟见肘。

Intel Core i 系列早期高性能型号(如 i79xx 系列): 当 Intel 推出 Core i 系列,特别是 X58 平台上的那些高端 i7 处理器时,它们凭借着强大的性能,以及 Turbo Boost 等动态频率调整技术,在爆发性能的同时,其 TDP 也普遍达到了 130W 甚至更高。这些处理器动辄就能跑出很高的频率,但代价就是极高的功耗和发热,不配上高端的风冷或入门级水冷,基本没法让它们发挥出应有的实力。我见过有些朋友的初代 i7,夏天不开窗,机箱紧贴墙壁,玩游戏的时候CPU风扇几乎都是满载运转,声音跟吸尘器似的。

AMD FX 系列(推土机架构): AMD 的 FX 系列处理器,尤其是 FX8350 这样的型号,虽然核心数量多,理论性能不错,但由于其架构设计(特别是“推土机”架构的模块化设计),在实际性能表现和功耗控制上都存在一些短板。它们往往需要更高的电压和频率来驱动,导致在满载运行时发热量非常惊人,普遍在 125W TDP 以上,很多时候实际功耗和发热会超出这个数值。为了压制 FX 系列处理器,很多玩家不得不用上非常强大的散热器,并且需要良好的机箱风道,否则很容易出现过热降频的情况。

为什么它们会这么“热”?

要理解这些处理器为什么会发热量巨大,可以从几个关键点来分析:

1. 制程工艺不成熟: 早期的制程工艺相对粗糙,漏电流大,晶体管集成度低,为了提升性能往往需要提高工作电压和频率,自然就带来了更高的功耗和发热。
2. 架构设计激进: 为了追求极致的单核性能或更高的主频,一些架构设计(如奔腾 4 的长流水线)会牺牲效率换取速度,导致功耗急剧上升。
3. 堆料与性能的平衡: 在技术发展初期,性能往往是第一位的,而功耗和发热控制则是伴随而来的挑战。厂商会优先把性能堆起来,然后在散热方面想办法。
4. 市场定位与用户需求: 很多高性能处理器是面向高端玩家和专业用户的,他们更愿意为性能付出代价,包括购买更强的散热器。
5. 散热技术的滞后: 在处理器发热量高速增长的同时,散热技术的发展也需要时间来跟进。早期的散热器设计比较简单,难以有效应对高发热的处理器。

总的来说,史上发热量巨大的 CPU,往往是特定技术发展阶段的产物,它们是性能飞跃的先驱,也给当时的玩家带来了不少“甜蜜的烦恼”。它们也促使了散热技术的不断进步,从简陋的风冷到高效的塔式风冷,再到今天的各种一体式水冷和分体式水冷,每一次 CPU 发热量的突破,都伴随着散热解决方案的革新。这些“火炉”们,也成为了 PC 发展史上一道不可磨灭的风景线。

网友意见

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CYRIX M2


这个 CPU 是当年的发热大户。

其他的散装 CPU 不涂硅脂还能点亮和玩一小会(半小时~几小时)。

M-II 是连 DOS 都进不了。

当然, 这个回答是很不严谨的, 特别是当您将 M-II 与历史上的电子管 CPU 比较的时候。




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如图——

移动端火龙当属高通810。

高通骁龙810(MSM8994,2015)为了对苹果率先推出移动端64位CPU做出回应,高通不得不提前拿出骁龙810,但事实证明芯片这东西赶工必暴死——自动布线和20nm制程让本来就发高烧的A57架构更加雪上加霜。

单核功耗超过5W,四大核功耗由于散热问题至今无人得知,这样的发热量直接让一众厂商在2015全年都没有办法推出像样的旗舰机,间接导致了三星猎户座和海思麒麟的强势崛起,还顺手把索尼、HTC和LG搞了个半死。

顺带一提,在冬天的哈尔滨,早年间的苹果基本通通暴毙,但火龙810不仅可以满血运行,而且自身发热还能维护电池放电。。。

原文地址:

—————2020.4.07更新—————

评论区说X86的HXD提醒了我

280÷64=4.375,不解锁功耗满载时单核才4.4W不到,每个线程不到2.2W……

大家都是龙系处理器,凭什么你就得喷火呢

地狱炎龙你太丢人了,褪裙吧

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为什么限定CPU啊,老祖宗eniac的电子管也想来秀一下

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要是把范围局限在通用CPU上的话(WSE那种专用处理器不算),那没什么CPU的功耗能和IBM大型机服务器比,巴掌大的CPU算什么?来看看和人头一样大的CPU。

IBM Z196,十年前的产品,45nm工艺制造,每个PU包含四个5.2GHz核心,4*1.5MB L2和24MB L3。

下面图片里的Z196 MCM,集成了20个PU(MCM里其实集成了24个,但是有4个是用来备份的,最多只有20个能工作),一共80个5.2GHz核心,120MB L2、480 MB L3和1920MB L4(每两个PU单元共享192MB),每套功耗1800W。没错,煮饭、炒菜、烧开水无所不能。

Z196最高配置(M80),可以放80个PU(4套MCM),每个book里可以放1套,都位于A Frame机柜里。

后来IBM Z13/14和15的处理器,外观类型都是类似的,都是这样的多芯片MCM结构。


2020.04.02更新

今天来回答几个大家都比较关心的问题,IBM大型机处理器的性能,和同年代x86处理器相比如何?

首先要明确的一点是,诸如Z196这样的处理器,名义上是通用处理器,但实际上它的业务特性是比较明显的,最典型的就是银行和证券公司的交易,每天进出多少金额、买卖多少股票,全部都是非常单纯的数学计算。

更关键的是,我们知道一般的计算机都是指2进制计算机,CPU内部运算时都使用2进制浮点数,但我们日常使用的数字却是10进制。而用2进制去表示10进制浮点数时,其结果只是近似的,而且是不连续的。这一点在金融系统高频次、大数据量的交易当中会导致一些问题,比如误差的累积。

这一点其实反映到了这类CPU的硬件设计上,我先看看下面的微架构图。

拿Z196来说,我们可以明显的看出,这是一个三发射、乱序执行的超标量处理器。

很多朋友可能会认为,三发射?这岂不和奔腾4一样落后?其实不然,因为相比x86,Z系列是更接近于传统CISC的设计,流水线的复杂性比x86要更复杂,所以不能直接比较。

就拿奔腾4来说,3个解码器其实是1+2的配置,也就是1个Complex Decoder和2个Simple Decoder,前者的输出是3个uops,后者是1个uop,也就是理论情况下每周期能输出5个uops。而和Z196同时代的Nehalem(INTEL第一代i系列),则是1+3配置,3个Simple Decoder的输出也是1个uop,而1个Complex Decoder的输出是4个uops,一共是7个uops,INTEL挤了那么多年的牙膏Skylake架构也只是1+4配置,一共8个uops。

回到Z196上,我们可以发现,这货根本没有Simple Decoder,3个都是Complex Decoder,这是之前我说它更接近于CISC的原因。每个解码器都能输出3个uops,一共是9个uops,也就是说理论上它的单周期解码能力其实要比nehalem更强。同时带来的是240字节的超大Instruction buffer,Nehalem上功能类似的Pre-decoder buffer只有16字节。

再来看后端SIMD部分,Z196有3组通用执行端口,对应2组Integer单元、1组Floathing单元,以及2组独立的Load/store单元(就是图中的AGU)。Nehalem同样是是3组通用执行端口,对应1组Integer单元、2组Floathing单元,以及3组Load/store单元。可以看出二者的侧重程度不同,Z系列是更侧重整数运算的,这点也能从80组整数浮点/微代码寄存器和4uops的宽度看出来。

然后我们可以注意到Z196最大的一个不同,在Port 4上还有1组Hex Binary FPU和1组Decimal FPU,这就是IBM的绝活了,这两组浮点单元可以直接在硬件层面进行16进制和10进制运算,直接从根本上解决了2进制到10/16进制转换的精度问题,同时也提高了效率

之后是缓存和内存部分,这一点其实没什么好比的,Z系列拥有更大的、更多级、更复杂的缓存体系,L1 I-Cache和D-Cache的容量是Nehalem的两倍(其实可以看出,Z196也是一个冯诺依曼/哈弗架构混合体),L2 Cache的宽度比Nehalem大50%,MCM上那恐怖的1920MB L4甚至都可以当内存使。

最后由于Z系列的封闭性(资料太少,大多是操作和使用类的),以及客户的特殊性(都是诸如中国人民银行和四大行之类的金融公司,谁敢在上面跑一把鲁大师?这不是被开除的问题,而是要进监狱的),我没有办法从更高的层面去对比Z196的实际性能,只能到此为止。但大体看来,个人认为Z196微架构比同时期的Nehalem更强。


Z196系列除了80个核心外,它还有一个zBX(zEnterprise BladeCenter Extension)配置,其实就是提供额外的POWER服务器来配合处理数据。最高的112 zBX可以扩展112台双路8核心POWER7刀片服务器,装在4个机柜里,一共是224个处理器1792个核心。




PS:当年IBM基于Z196为12306提交了一套方案,但是最终败给了价格,这个玩意只有金融行业用得起。

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