在日常裝機中，大家挑選CPU處理器的時候，無非是先看看這塊CPU有多少個物理核心，是否支持超線程技術，以intel爲例就決定了你選擇i7、i5還是i3系列；再細分一些就需要考慮CPU的頻率高低問題，這個就直接決定選購的具體型號。那麼我們平常總會說這款intel Core i3-8350k默頻是4GHz，這個AMD銳龍3 1300X默頻爲3.5GHz，那麼這個CPU頻率真的就是CPU的運行速度了嗎？它是由什麼來決定呢？
Intel、AMD在發佈新CPU的時候總會公佈其的基礎頻率，其實這個頻率多少多少GHz，其實指的是CPU內部的數字時鐘信號頻率，又稱爲時鐘頻率，因此它並不能代表CPU的真實性能水平，4GHz的CPU不一定就比3GHz的強，至少我們不能一概而論。但是時鐘頻率的高低確實關係到一個CPU的運算速度，頻率越高意味着運算的速度越快？那麼4GHz頻率是有多快呢？
頻率的概念
在CPU這個複雜的數字系統中，爲了確保內部所有硬件單元能夠協同快速工作，CPU架構工程師們往往會設計一套時鐘信號與系統同步進行操作。時鐘信號是由一系列的脈衝信號構成，並且總是按一定電壓幅度、時間間隔連續發出的方波信號，它週期性地在0與1之間往復變化。如下圖所示。
在第一脈衝和第二個脈衝之間的時間間隔稱之爲週期，它的單位是秒（s）。但單位時間1s內所產生的脈衝個數稱之爲頻率，頻率的最基本計量單位就是赫茲Hz。
時鐘頻率（f）與週期（T）兩者互爲倒數：f=1/T
這個公式表明的就是頻率表示時鐘在1秒鐘內重複的次數，而目前的CPU普遍已經處於GHz級，也就是說每秒鐘產生10億個脈衝信號。
CPU處理器主頻
以Intel Core i3-8350k爲例，它的默頻是4GHz，意味着它內部時鐘頻率爲4GHz，一秒鐘可以產生40億個脈衝信號，換句話說每一個脈衝信號僅僅用時0.25ns（時鐘週期）。這是多麼令人震驚的時鐘，可以想象到CPU內部結構是多麼精妙，可以處理如此之短的信號，整套系統協同有序地運行，所以纔會說CPU是全人類智慧的結晶，極大地提升了我們的科技水平進步。
時鐘週期作爲CPU操作的最小時間單位，內部的所有操作都是以這個時鐘週期作爲基準。一般來說CPU都是以時鐘脈衝的上升沿作爲執行指令的基準，頻率越高，CPU執行的指令數越多，工作速度越快。
那麼CPU頻率是由什麼決定的呢？其實這個是一個非常複雜的問題，因爲決定這個頻率是一個系統學的東西，影響到頻率高度的因素非常之多，諸如CPU的架構、流水線設計、內部寄存器設計、支持的指令甚至是功耗、溫度這些物理因素，所以說CPU出廠頻率就是綜合多種考慮，以木桶效應下的最小值作爲CPU的最高頻率。
那我們現在的CPU主頻爲什麼會變呢？
而擁有Turbo Boost技術的CPU每一個核心都有自己的PLL（Phase Locked Loop，鎖相環）電路，這樣每個核心的電壓和頻率都可以獨立控制，爲此Intel專門在CPU內部設計了PCU（Power Control Unit，功耗控制）單元，PCU會以1ms（每秒1000次）的速度實時監測這四個核心的溫度、電流及功耗等參數，因此又有Turbo Boost頻率可以根據負載需要調整CPU的頻率。同時由於參與到運算的核心數越多，控制起來就更爲複雜，所以一般核心數目越多，能達到最高頻率越低。
外頻
CPU在誕生後不久，各大CPU巨頭爲了追求高性能，開啓了頻率大戰（有沒有效果這個我們先不提），但是這樣一來，CPU雖然跑得更換了（主頻更高），但是外部的主板芯片組、內存、外部接口（PCIe、Sata）可還是處於舊有標準，而且這些設備的運行頻率早就固定下來了，並且遠低於CPU工作頻率。這樣一來CPU就無法很好與之交流，Intel就機智地提出了倍頻的概念（下面講述），並且提出了影響至今的一個CPU主頻計算公式：主頻=外頻 X 倍頻，外頻的提出可以讓主板外部的設備工作在較低的頻率下，並且還能正確地CPU進行交流。
但總是有很多網友將前端總線頻率和外頻混爲一談，其實他們不太一樣。在以前有北橋的時代，前端總線是CPU總線接口單元和北橋芯片之間的數據交換通道，曾經在AMD雷鳥系列、Intel奔騰 4處理器以前，前端總線與外頻是一致的，但後來有了四倍數據傳輸率技術或者是八倍數據傳輸率技術，前端總線頻率就極大地提高了。舉個例子，如果一個處理器的頻率是2GHz，外頻爲100MHz，使用四倍數據傳輸率技術時，前端總線頻率就變成400MHz；如果是八倍，那麼就是800MHz。前端總線頻率越大, 代表着CPU與北橋芯片之間的數據傳輸能力越大, 更能充分發揮出CPU的功能。
目前處理器的默認外頻基本上都是100MHz
倍頻
目前的CPU設計的外頻都相當低，只有100MHz，CPU要獲得更快運算速度，我們就需要獲得一個超高速的頻率來支撐更快運算速度。而CPU通常就是在內部設計有一個鎖相環頻率發生器，對於輸入的時鐘信號進行分頻處理，按照一定比例提高輸入的外頻頻率，從而得到CPU的實際工作頻率，這個比例就稱之爲倍頻係數（簡稱倍頻）。
利用倍頻技術, 較爲完美地解決了CPU和內存等數據中轉站的異步運行問題。爲CPU後來向更高頻率方向發展打下了紮實的基礎。
超頻
超頻作爲經久不衰的話題，一直都是PC DIY界中的常青樹，一般是指強迫設備運行在高於其默認頻率的主頻以獲得更高的性能，諸如CPU、顯卡、內存等都可以超頻, 其中以CPU爲最爲流行，可以在最大程度壓榨CPU的性能，提高產品的性價比。而Intel、AMD一直將CPU可超頻作爲一大賣點宣傳，那麼我們超頻超的是哪個頻率？
根據CPU主頻計算公式：主頻=外頻 X 倍頻，我們無非就是超外頻、倍頻。
其實在不同時代，超得的是不同的頻。在Pentium MMX時，Intel爲了讓CPU穩定工作，在主板BIOS中鎖定了倍頻， 不能隨意更改倍頻，那時候的我們只能從提高外頻着手，一些舊式主板可通過設置主板上的跳線來變更計算機系統的外頻（還記得跳線怎麼插嗎？），而在後期的主板BIOS中一般都會有SoftMenu技術，我們只需要在BIOS界面中動動手指頭，調整外頻頻率就可以順利提高CPU的主頻。
而現在大家爲了創造更高的主頻，一般都是選擇超倍頻，因爲超倍頻提升幅度遠比外頻要高，而且來得容易。同樣只需要在主板BIOS上調整倍頻即可，目前很多主板都自帶一鍵超頻功能，主板廠商都BIOS中幫你調整好超頻參數，只需要一鍵點擊皆可以超倍頻。
在相同的外頻下, 倍頻越高 CPU的主頻也越高。但實際上，CPU倍頻太高了，但是CPU與系統其他設備傳輸速度還是一樣，之間的數據交換有限，造成了高主頻的CPU就會出現明顯的“瓶頸”效應-----CPU 從系統中得到的數 據的極限速度不能滿足 CPU運算的速度。因此有時候爲了滿足外部傳輸需求，我們要適當超外頻。
需要注意的是，超頻會導致CPU發熱量遠大於正常工作溫度，甚至是降低 CPU性能、壽命（縮缸）或造成系統的不穩定（藍屏）。 降低 CPU 壽命是因爲超頻產生的高溫會導致“電子遷移”現象， 而“電子遷移”現象會損壞CPU內部精密設計的晶體管，所以一定要必須做好CPU的散熱工作，液氮超頻也是出於這樣的考慮。
但有時候CPU體質不佳（內部晶體管在製造的時候存在某些缺陷、瑕疵），導致超頻困難，需要對CPU核心施加更高的工作電壓，以我們拿到的地雷級intel Core i3-8350K爲例，爲了上5GHz頻率，電壓已經加到1.5V（默認1.34V），而之前的Core i7-7700K分分鐘上5GHz。
那爲什麼我們現在CPU頻率基本還停留在4GH平臺呢？
CPU處理器中有一條金科玉律，那就大名鼎鼎的摩爾定律，它闡述了晶體管數目與性能提升的關係，之於它究竟是還活着，還是像死了般活着還很難說。但是我們今天要講的是另一條不太出名的定律——登納德縮放比例（Dennard Scaling）。
1974年內存之父羅伯特登納德在其論文中表示，晶體管面積的縮小使得其所消耗的電壓以及電流會以差不多相同的比例縮小，這個就是登納德縮放比例定律。很多人摸不着頭腦，這個和CPU頻率提升有半毛錢關係嗎？
確實密切相關。我們先了解晶體管功耗是如何計算的，靜態功耗的就是常規的電壓乘以電流，W=V x I。而晶體管在做 1和 0的相互轉換時會根據轉換頻率的高低產生動態功耗，W=V2 x F。顯然，頻率越高，功耗就越大，但我們在此後的30年都沒有放棄做頻率更高的CPU呢？
答案是以爲我們的半導體工藝一直在進步，目前甚至已經做到了10nm，7nm量產在即。根據登納德縮放比例，工藝的提升，可以讓晶體管們做的更小，導通電壓更低，顯然就彌補了頻率提升帶來功耗增加問題。但是我們的工藝並不是無休止境地提升，很快就會進入了一個長期的技術平臺期，7nm以後路將會十分艱辛。
而且晶體管尺寸縮小以後，靜態功耗不減反增，帶來了很大的熱能轉換，加之晶體管之間的積熱十分嚴重，讓CPU散熱問題成爲亟待解決的問題。散熱做不好，CPU壽命大大下降，而且目前普遍存在的動態頻率技術，過熱會讓CPU處於最低工作頻率，高頻只是個裝飾、是個笑話。單純提高CPU時鐘頻率因爲隨之而來的散熱問題而變得不再現實，畢竟我們不會無時無刻地使用液氮爲CPU降溫，所以Intel、AMD都很識趣地停止了高頻芯片的研發，轉而向低頻多核的架構開始研究。
極限超頻一般都是需要液氮、液氦來輔助散熱
也因此我們目前纔會看到多核CPU的大爆發，這是提升性能更好的方法。看完這篇乾貨，還想看其他同樣這麼幹的超能課堂嗎，找小超哥（微信：9501417）拿我們的百篇超能課堂吧~同時看完這篇文章對CPU超頻還有其他感興趣的問題不妨找我們小超哥提出，大家一起來探討啊~
