处理器中的IPC是什么？ – 技术路径

AMD 和 Intel 等处理器制造商每年都会谈论他们推出的 CPU 系列的一些性能和效率数据。 当谈到性能时，我们有时会遇到的术语之一是IPC（每周期/时钟指令数）。 是不是重要？ 是的，这很重要。 有时提到与上一代产品相比，增益高达 15-20%。

这对于许多技术爱好者来说是陌生的，并且解释起来有点复杂。 IPC是指CPU在单个时钟周期内可以处理的指令数。 我们知道简短的描述还不够，现在我们将进行更详细的介绍。

什么是IPC？

虽然时钟速度告诉您 CPU 一秒钟可以完成多少个周期，但 IPC（每个周期/时钟指令）定义了 CPU 在每个周期可以执行多少个任务。

例如，具有更快时钟速度的处理器每秒可以完成更多周期，而具有更高 IPC 但较低时钟速度的处理器每秒仍然可以完成更多任务。 因此，当谈论更快的 CPU 时，同时提及时钟速度、IPC 和核心数量会更准确。

数字电路依靠时钟信号来知道何时以及如何执行指令。 这就是为什么大多数电子设备（包括 CPU）都具有内部振荡器（时钟）来维持恒定的时钟周期。 这些时钟信号是连续的，并显示为具有高/低状态的简单方波。

CPU 中的“周期”是由内部振荡器同步的两个脉冲之间的时间间隔。 也就是说，1 是从低状态变为高状态并再次返回低状态所需的时间。

处理器中的循环表示由内部振荡器同步的两个脉冲之间的时间间隔。 换句话说，我们可以将其定义为从低状态转移到高状态并再次返回低状态所需的时间。 它每秒可以处理的这些“周期”的数量就是我们所说的处理器的“时钟速度”。

由于每个 CPU 架构的 CPU 时钟周期和时钟速度可能不同，因此我们从不单独使用时钟速度来比较不同品牌/代的 CPU。 我们已经利用一切机会表达了这一点。

既然您知道什么是时钟周期，定义 IPC 就变得容易多了。 IPC（每时钟指令数）是CPU在单个时钟周期内可以执行的指令数。 另一方面，处理器的时钟速度（以 GHz 为单位）是指它在一秒钟内可以完成的时钟周期数。 因此，3 GHz CPU 每秒可以完成 30 亿个周期。

顺便补充一下，任何处理器的 IPC 可能会根据工作负载的不同而有所不同。 此外，CPU 制造商通常不会在其规格表上共享 IPC 信息。

例如，假设我们有不同的处理器，并且我们将它们全部锁定为 3 GHz。 与此同时，架构差异以及 CPU 每个时钟周期可以处理的指令数量也开始发挥作用。

上面我们看到一张图表，展示了AMD这些年的IPC发展情况。 红军宣布，他们在 2017 年至 2020 年间实现了高于行业标准的 IPC 收益。

他们如何赚取 IPC 收益？

几乎每一代CPU制造商都或多或少地改进了IPC。 促成这一发展的因素可能有很多，但让我们简单总结一下并看看 AMD 的另一款产品。

芯片设计者表示，Zen 4架构相比之前的架构实现了13%的IPC提升。 右侧列出的因素均促成了 IPC 的增长：

• L2 高速缓存：CPU 有不同类型的内存：L1、L2 和 L3。 他们的任务是快速向处理单元提供最需要的数据。
• 执行引擎：执行整数和内存运算以及浮点运算的单元。
• 分支预测：使用管道加速分支指令的处理。
• 加载/存储：负责执行所有装载和存储指令的特殊单位。
• 前端：处理命令获取、解码等操作的部分。

IPC与主频关系

没有通过比较两个不同品牌和代数的处理器之间的时钟速度来进行比较。 但是，您可以比较同一代和架构的处理器。

解释这个关系有点困难，但我们举个例子。 假设两个单独的人将用沙子填充两个单独的坑，并且他们以 1 铲子/秒的恒定速度工作。 将 IPC 视为一把铲子，将时钟速度视为某人铲沙的速度。 如果两个人使用同一把铲子，他们将在同一时间完成任务。

但如果你用更大的铲子代替铲子，并且两个人继续以相同的速度扔沙子，那么拥有更大铲子的人会更快地完成工作。 IPC 和 CPU 时钟速度之间的关系也类似。