CPU 内核与线程：您需要了解的一切

计算机由各种组件组成。可以说，最关键的内部组件是 CPU。 CPU 是中央处理单元的缩写，是计算机的大脑。它由数十亿个微型晶体管组成，充当电子开关，负责控制复杂电路中的电流。

除了执行任务程序外，CPU 还协调计算机中的其他组件，包括 RAM（随机存取存储器）、HDD（硬盘驱动器）和 SSD（固态驱动器）。

决定处理器性能和效率的因素有很多，但最常争论的话题之一是 核心与线程。一般来说，人们认为拥有更多核心就等于更高的性能。然而，事情并不总是那么简单。

了解内核与线程的作用对于在购买或配置计算机时做出正确的决定非常重要。理想情况下，您希望在不超支的情况下尽可能优化功率。根据您要执行的任务，适当的内核和线程数量可能会有很大差异。

此外，如果您选择便携式设备（如笔记本电脑），电源效率是您不能忽视的一点。当您随身携带计算机时，您最不希望发生的事情就是在完成任务的过程中电池电量耗尽。选择具有足够功耗的 CPU 可以最大程度地降低遇到此类问题的风险。

在这篇文章中，我将解释您需要了解的有关计算机处理器内核和线程、它们的差异以及影响处理器性能水平的其他因素的所有信息。

什么是CPU核心？

本质上，核心是CPU内部的物理处理单元，负责独立执行任务。您可以将 CPU 视为一个工厂，每个核心都是可以处理任务的“工人”。一般来说，您可以在更短的时间内使用更多的工作人员执行更多的任务。

传统上，CPU 内核被设计为一次执行一个任务。这意味着计算机的第一代迭代缺乏多任务处理能力。然而，由于多线程技术的发展，CPU 内核的处理方式发生了显着变化，我将在本文后面对此进行介绍。

单核处理器与多核处理器

早期的计算机迭代采用单核 CPU，一次只能运行一项任务。为了一次执行多个程序，计算机工程师尝试扩展主板并将多个 CPU 单元添加在一起。然而，少数独立运行的 CPU 会带来大量延迟，并且被证明是不切实际的。

为了解决这个问题，工程师们设计了多核处理器。由于每个内核独立工作，因此每个内核都可以处理自己的指令集，而不会影响其他内核。这意味着计算机处理器拥有的核心越多，它可以同时执行的任务就越多。

单核 CPU 的功耗显着降低，足以满足网页浏览等日常任务。但由于他们的表现能力有限，他们变得越来越不受欢迎。尽管您可能仍会在一些较旧的系统中找到它们，但单核 CPU 在当今市场上基本上已经过时了。

通常，日常计算机配有两个、四个、八个或 16 个 CPU 内核。市场上消费级CPU的核心数量最多为64个。针对数据中心和企业服务器的处理器可以容纳更多核心。例如，AMD EPYC 9654 处理器配备了多达 96 个内核。

什么是处理线程？

在计算机处理中，线程（或执行线程）是指 CPU 处理的单个任务或工作线。每个线程被认为是操作系统可以独立管理的最小编程指令序列。它可以是启动程序或保存文件等任何内容。

您的 CPU 核心负责处理这些线程。在任何 CPU 中，每个核心一次至少可以执行一个线程。如前所述，拥有更多核心会带来更好的多任务处理能力，但能够处理更多线程也会带来同样的结果。

了解线程与内核功能的差异，以及它们在 CPU 中的角色，可以帮助您做出满足您需求的最佳选择。

什么是多线程？

正如您所猜测的，仅向处理器芯片发送一个线程，等待任务完成，然后发送下一个任务可能非常耗时。因此，计算机工程师开发了不同的方法和策略，以在更短的时间内处理更多线程。

最直接的解决方案是将线程分解为单独的较小线程，然后让 CPU 并行运行它们。这称为“多线程”（不要与同时或临时多线程混淆）。程序可以是轻度或重度线程，具体取决于它的开发方式。

集成不同多线程策略的概念可以追溯到 20 世纪 50 年代。但直到 90 年代末，英特尔才使用一种名为“同步多线程”(SMT) 的技术，为台式电脑开发了基于硬件的多线程技术。英特尔称该功能为 超线程技术 并于 2002 年将其引入 Intel Pentium 4 桌面处理器芯片中。

借助英特尔的超线程技术，最多两个线程可以共享 CPU 内核的相同资源来完成所需的任务。换句话说，您实际上可以获得双倍数量的“工人”来完成您的任务。然而，每组两个工人共享相同的资源。

超线程：优点和缺点

超线程的主要优点是它通过利用更多可用的处理资源来显着提高系统性能。然而，在某些情况下，单线程可能仍然是首选。

在大多数情况下，尤其是在日常多任务处理期间，计算机的 CPU 核心并没有达到极限。这意味着仍有进行更多处理的空间。超线程可释放 CPU 核心中未使用的处理能力来运行其他线程，从而在利用 CPU 的最大潜力方面提供更简化的体验。

超线程虽然有优点，但也有明显的缺点。主要缺点是功耗增加。与基于 ARM 的芯片相比，英特尔处理器因从笔记本电脑中汲取大量能量而臭名昭著，超线程就是原因之一。

随着处理器消耗更多电量，超线程会导致高温和热节流，CPU 会减慢速度以防止过热。此外，配备此类英特尔CPU的便携式设备需要更庞大的冷却系统，这会显着增加设备的重量和比例。

最后，由于性能的增强在很大程度上取决于应用程序，因此最终取决于程序员来设计利用超线程技术的应用程序。这增加了开发最大化效率的项目的挑战。此外，不支持超线程的软件在处理器密集的情况下可能无法顺利运行。

更多核心与线程：哪个更好？

由于它在很大程度上取决于您打算使用的程序，因此很难在所有情况下都认为一个程序比另一个程序更重要。更多的核心通常意味着更多的可用资源。另一方面，更多的线程可能会带来更好的多任务处理能力，尽管并非总是如此。

对于线程较多的程序，拥有更多专用于 CPU 核心的线程通常会带来更好更快的执行。另一方面，当 CPU 上启用超线程时，针对单线程 CPU 核心架构优化的程序可能会表现出性能下降。

话虽这么说，有些人已经注意到，一些游戏（无论是新旧游戏）在关闭超线程时运行得明显更好。例如，Reddit 上的一位用户声称他看到了 禁用超线程后，大多数游戏的 FPS 提高 30% 在他的 Intel Core i9 CPU 上。

多年来，英特尔凭借超线程技术在笔记本电脑和台式电脑的 CPU 市场占据主导地位，其芯片提供的线程数量是内核的两倍。然而，一些竞争对手最近开始开发不同的 CPU 架构，事实证明这些架构在提供单线程 CPU 内核的同时效率极高。

例如，Apple Silicon 是基于 ARM 的芯片系列，事实证明，在苹果最新的计算机中，它比基于英特尔的型号要节能得多。此外，包括 Microsoft Surface Pro 11 在内的多款新型 Windows 笔记本电脑已改用 ARM 处理器，以获得更好的电池寿命和日常使用情况下的性能。所有这些基于 ARM 的芯片都带有单线程内核。

总而言之，拥有更多线程并不一定意味着更好的 CPU 性能。然而，拥有更多的内核是处理器处理更复杂和资源密集型命令的能力的更直接的决定因素。

还有哪些其他因素决定 CPU 的性能？

我们已经介绍了计算机中处理器核心与线程的差异。然而，这些并不是决定 CPU 最终输出的唯一因素。

时钟速度（也称为“时钟速率”或简称“频率”）是计算机处理器的主要区别之一。简而言之，时钟速度衡量 CPU 每秒可以完成多少个周期。例如，时钟速度为 3.2 GHz 的处理器每秒可执行 32 亿个周期。

另一个需要考虑的参数是 CPU 的高速缓存。 CPU 高速缓存是存储经常访问的数据的高速存储器。更大、更快的缓存可提高 CPU 执行需要频繁数据访问的任务的能力。

计算机处理器采用纳米 (nm) 制造工艺（例如 7 纳米或 5 纳米）制造。更小的节点意味着芯片上可以安装更多的晶体管，从而提高电源效率和性能，因为信号传输的距离更短，因此需要更少的时间和能量。

IPC（每周期指令数）、总线速度和热设计功耗等其他因素也会影响 CPU 的性能。

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最后的想法：线程与核心

说到计算机性能，CPU是负责执行程序的主要部门。 CPU 核心是 CPU 中用于处理任务的物理单元。通常，CPU 具有多个内核，每个内核至少执行一个线程。

线程通常指的是发送到 CPU 核心进行处理的最小指令序列。每个 CPU 核心一次至少可以处理一个线程。在具有超线程功能的处理器中，该数量增加到两个，这意味着两个线程可以同时使用内核的资源来执行不同的任务。

虽然支持 SMT 技术的内核理论上可以一次处理多个线程并提供更好的多任务处理，但它并不总是能转化为处理输出的直接增加。

常问问题

拥有更多核心还是拥有更多线程更好？

它根据您打算使用的程序而有所不同。重线程应用程序通常在线程越多的情况下运行得更好，而某些程序可能在单线程核心上运行得更好。然而，更多的核心意味着 CPU 性能的更直接提升。

一个核心有多少个线程？

在当今大多数英特尔 CPU 中，得益于超线程技术，每个内核可以同时处理两个线程。但并非所有处理器芯片都是如此。例如，基于 ARM 的 CPU 每个内核有一个线程。

核心和处理器有什么区别？

核心是计算机处理器 (CPU) 内部的物理处理单元。在处理器内，可以有多个核心，它们是可以独立执行指令的单独处理单元。