中央處理器 CPU

Central Processing Unit

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CPU 的功能

中央處理器是電腦的計算核心，也是電腦中處理資料的中心，下圖示意電腦接通電源，主機板通電後就會給中央處理器通電，依據電流在中央處理器、記憶體、硬碟與顯示卡之前交流資料

簡單說現代電腦是利用電壓的有與無來表示資料，當電壓趨近於 1 ，就表示數字 1 ，當電壓趨近於 0 ，就表示數字 0 。

CPU 的架構

指令集架構

認識中央處理器就要先認識中央處理器的指令集架構，所謂指令集架構就是專屬於該電腦的機器語言，基本上，電腦只聽得懂它自己的機器語言，我們寫的程式都是透過編譯器或直譯器翻譯成機器語言，才可以讓電腦去執行。

常見的指令集架構包括

複雜指令集 CISC 與精簡指令集 RISC

以上常見的指令集架構只有 x86 是複雜指令集，其他都是精簡指令集，早期的電腦都是複雜指令集，因為那時候設計硬體比軟體簡單，外加記憶體非常昂貴，所以處理器是以一個指令就能完成多個工作，這在後來推出改進處理器架構的精簡指令集，就把之前的處理器稱為複雜指令集。

其實兩者沒有哪一種一定好或不好，像是 POWER 或 SPARC 都曾在伺服器或超級電腦風光過一段時間，但是打不進個人電腦，個人電腦則在 x86 架構下不斷精進，效能逐步提升，反過來吃下伺服器及超級電腦的市場。

但是 x86 也不是沒有問題，高功耗外加高發熱，因此進不了手機及控制器領域，目前最常見的手機處理器為 ARM ，控制器則是 MIPS 及 RISC-V 。

其中 ARM 的特點是低功耗，低功耗並不代表低效能， Apple 最新的推出的 ARM 架構處理器 M1 ，預計替代全系列 Mac 產品線，其效能已經超過高階的 x86 的筆記型處理器。

時脈

所謂時脈是指每秒時鐘周期，現在處理器有兩種主要度量單位，分別是 MHz 及 GHz ， MHz 是百萬次/秒， GHz 則是十億次/秒。

過去時脈曾經是衡量中央處理器效能的重要指標，例如 1995 年時的 Intel 的 Pentium 有 100 MHz

2011 年的 i3 2120 已經達 3.3 GHz

兩者的時脈差了 33 倍，但是性能差了不只 33 倍，這是因為 1999 年的 Pentium III 已經突破 1 GHz ，之後因為散熱限制，時脈難以持續往上突破，於是處理器除了更新架構，並且推核心與執行緒的方式來提升效能。

核心與執行緒

當消費級中央處理器的時脈難以有效提升後，處理器廠商就改以堆核心及執行緒，讓處理器持續在效能上有所提升。

早期的處理器是單一核心，一個核心代表電腦同時可以做一件事情，多核心的電腦表示可以同時做多件事情，至於執行緒是作業系統進行工作的最小單位，多執行緒同樣表示電腦可以同時做多件事情。

現在高階 CPU 除了堆核心數量，也會堆圖形處理器，也就是 GPU 的核心數量，另外最新的 Apple M1 處理器則是再堆神經網路引擎的核心數，所謂神經網路引擎是一種人工智慧加速器。

然而中央處理器推核心，無論是堆原本 CPU 的核心，還是堆 GPU 的核心，抑或堆神經網路引擎加速器的核心，這些都需要作業系統的支援，才能有效地讓這些核心發揮作業， Apple 向來有軟硬體整合的優勢，因此 M1 推出後大大驚艷了科技圈。

CPU 的種類

桌上型電腦

一般對中央處理器的認識大都集中在桌上型電腦的 CPU ，桌上型電腦的 CPU 是有針腳設計的，例如下圖為 AMD CPU 的針腳

利用 CPU 的針腳設計可以當作防呆設計，只要主機板的腳位不同，就無法安裝，可是 Intel 的 CPU 在進入 i3/i5/i7 並列的時代後把原本 CPU 的針腳移到主機板上，然後在 CPU 變成相對應的接觸點，例如下圖為 i5 760 的底面

Intel CPU 安裝的防呆設計變成在 CPU 兩側有不同的開口，例如以下從左到右為 1156 、 1155 、 1150 的 CPU

筆記型電腦

早期筆記型電腦的 CPU 設計成跟桌上型電腦類似，可以自行更換安裝，不過近來比較常見的是直接固定在主機板上，例如下圖為 Apple Macbook Pro 的主機板，左上角為 Intel CPU

手機及平板電腦

手機及平板電腦的 CPU 會直接固定在主機板上，例如下圖為聯發科的處理器

嵌入式系統

嵌入式系統同樣會把 CPU 直接固定在主機板上，例如下圖為樹莓派 4B 的處理器

CPU 的製造商

CPU 的架構很多，相對一種架構就一種授權，取得授權的廠商就可以自行生產該架構的 CPU ，底下以現在最常見的兩種架構來說明製造商。

x86

早期 x86 有非常多的製造商，可是當 Wintel 出現後，除了作業系統由 Windows 獨霸外， CPU 也逐漸變由 Intel 獨霸，其他只剩下 AMD 及威盛兩家製造商，威盛是藉由收購 Cyrix 取得專利技術。

現在市場上比較常見的的 x86 CPU 為 Intel 與 AMD 兩家廠商，原本效能與市占都由 Intel 大幅領先，不過 AMD 推出 Zen 架構後，市場逐漸改觀， AMD 的市佔逐步提升， Zen 3 推出後， AMD CPU 的效能更是全面超略 Intel 。

ARM

基本上 ARM 是採用授權的模式，因此取得授權的製造商都可以生產 ARM CPU ，由於 ARM 架構省電低功耗的原因，目前大量運用在手機上，像是蘋果、高通、聯發科等等都設計 ARM 的手機晶片，其他像 Nvidia 設計 ARM 架構的 CPU 用作資料中心或是嵌入式設備。

CPU 的腳位與插座

一般桌上型 CPU 由於採用可換式，使用者能夠自行安裝更換，因此主機板是否能安裝得看主機板上的 CPU 插座是否符合 CPU 的腳位， CPU 腳位又會隨 CPU 世代與 CPU 廠商而有所不同。

以下列出近十年來 AMD 的腳位，包括一般桌上型 CPU 及伺服器 CPU

年代腳位
2009Socket AM3
2010Socket C32
2011Socket FM1, Socket AM3+
2012Socket FM2
2014Socket FM2+, Socket AM1
2017Socket AM4, Socket TR4
2019Socket sTRX4

以下列出近十年來 Intel 的腳位，包括一般桌上型與筆記型 CPU 及伺服器 CPU

年代腳位
2010LGA 1156, LGA 1248, LGA 1567
2011LGA 1155, LGA 2011-0, rPGA 988B
2013LGA 1150, Socket G3
2014LGA 2011-1, LGA 2011-3
2015LGA 1151
2017LGA 3647, LGA 2066
2020LGA 1200

以上可以看出 CPU 製造商快則隔年就換 CPU 腳位，慢則像 AMD 從 2017 到現在的 AM4 腳位，或是 Intel 從 2015 到 2020 的 1151 腳位。

CPU 的效能

等級

CPU 製造商通常會以數字來區分等級，通常數字越高， CPU 的等級也就就高，例如蘋果的 A 系列處理器， A14 為 2020 新出的處理器，效能相比 2019 年的 A13 來得好，但是數字也不是絕對，例如用在 iPad Pro 的 A12Z ，其效能就超過 A14 。

另一個知名的手機處理器製造商高通則是用 600 、 700 、 800 系列來區分 CPU 入門、中階、高階的等級，再以十位與個位數字來標示先後，例如 865 為 2020 年發布， 855 為 2019 年發布等等。

兩大桌機處理器製作商 AMD 、 Intel 也是同樣的做法， AMD 用 R3 、 R5 、 R7 、 R9 來區分 CPU 等級， Intel 用 i3 、 i5 、 i7 、 i9 來標示，等級越高，效能也越高，相對發熱量也就越大。

跑分軟體

跑分軟體主要是測試 CPU 的計算能力，通常分數越高， CPU 的計算能力也就越強。各平台都有知名的跑分軟體，例如下圖是用 Cinebench R23 在 Mac mini 的跑分結果

選購電腦零件如何挑選 CPU

購買電腦挑選 CPU ，重點是要看所要用的軟體，通常會有最低支援規格及建議的至少規格，例如下圖為 Android Studio 4.1.1 的系統需求截圖

從上圖可以看出 Android Studio 4.1.1 ，只有在 Chrome OS 要求 CPU 至少要在 i5 以上，而 Windows 至少要 Windows 7 ， macOS 至少 10.10 ，因此只要支援 Windows 7 到 macOS 10.10 的電腦都可以選擇。

其他繪圖、動畫、剪輯軟體或遊戲的硬體需求會比較明確，以下為《惡靈古堡3重製版》的 Steam 頁面截圖

也就是說，至少要 Intel 的 i5-4460 或 AMD FX-6300 ，建議要 Intel i7-3770 或 AMD FX-9590 ，由於這都是好幾年前的舊 CPU ，所以用現在最新的 CPU 是沒問題的。

所以挑選 CPU 主要看軟體要求的硬體規格，一般軟體對 CPU 的要求並不高，因此組裝電腦或選購筆電，挑最新的機種往往不會有太多問題。

術語解釋

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