【電腦科普】CPU－電腦運作的核心

電腦，是現代科技中，最直接影響人們生活的技術。我們常用的筆電、智慧型手機都可算是電腦的一種。然而，電腦究竟是如何運作的呢？先前一系列文章中，已經介紹過 IC 的製造流程，電腦中的零組件大多是依循著這些流程製造出來的。然而，電腦究竟有哪些零組件？他們又是如何運作的？

首先，電腦有兩個重要元件，分別為 CPU 以及記憶體。CPU 負責做電腦控制，記憶體則做常用資料的儲存。也因此，大多數的消費者在升級電腦時，會優先升級這兩者。其他的零組件則還有負責進行圖形計算的 GPU 以及儲存大量資料的硬碟等。

CPU，電腦的核心

CPU，全名中央處理器（Central processing unit），是電腦的大腦。在電腦中，所有的指令都是 CPU 所下。它的重要性，就像是一間公司的全能經理，一個人便能完成多種複雜的工作，還會依照每個人的特性分配工作。只要有 CPU，整台電腦都會在掌控中，穩定的運作。

因為 CPU 是電腦的大腦，當要升級電腦的時候，優先升級的其中一個零組件便是 CPU。因此，在電腦規格中，各家的規格也就會優先標注每台電腦採用哪一家的 CPU，效能比前一代快多少等。

CPU 主要會分成三個部分，分別為「控制單元」、「算數邏輯運算單元」與「暫存器」。控制元件會依據程式的指令，控制算術邏輯運算單元以及暫存器的運作。算術邏輯運算單元則負責進行四則運算，以及布林邏輯運算。暫存器會儲存等待運算以及運算完的資料，此外還包含控制元件要接續執行的指令。下圖為 CPU 內部的簡圖。

電腦架構、設計以及實作的規範

目前，消費市場中最常見的 CPU 主要有兩大家族：X86 架構以及 ARM 架構。架構指的是電腦內部的設計以及實作的規範。像 ARM 以及 X86 就有不同的規範，影響兩者的實作方法以及效能。此外，架構可再細分成指令集架構以及微架構。

指令集架構（Instruction Set Architecture，ISA），是電腦指令的集合。ISA 就像是憲法，憲法只有規範大致的政府組織架構以及人民的權利和義務，剩下的就由法律補足。ISA 只規範 CPU 設計的規格，實際的實作方法則由微架構定義。

在 ISA 的規格中，只有要求 CPU 要支援哪些指令以及暫存器的大小。此外，支援的指令種類會影響控制元件的設計以及算數邏輯運算單元，因為控制元件是解讀指令，並控制算數邏輯運算單元的運作並將結果存至暫存器裡。可以說整個 CPU 是依循著 ISA 而生。

微架構（Microarchitecture），則是定義要如何實作出一顆 CPU。如果說 ISA 是憲法，那微架構就是法律。微架構明確的定義了實作 CPU 要有哪些元件，以及運行速度還有運行順序。此外，一個 ISA 可以產生多種微架構並不斷地改版。就像法律會依循社會而不斷的變動，但是憲法不會一直變動一樣。

Intel 新一代的 CPU 就是透過微架構的更新升級。近期推出的 Skylake 就是一例，Skylake 和 Broadwell 皆為 14nm 製程且都是 X86 架構，但是因為內部的設計改變使得效能有所不同。採用 ARM 架構的企業，也會因微架構的不同導致手機晶片有不同的效能，這也就是為何一樣採用 ARM 架構但是四核心的 CPU 不輸其他間企業的八核心 CPU。

X86 和 ARM 授權差異

ARM 架構主要是由 ARM 這間企業擁有，他們不自行製造 CPU 而是採用授權的方式，讓其他企業得以依循 ARM 的規範製造 CPU，或由 ARM 直接販售 CPU 的製造方法。因此，才會有這麼多企業採用，擁有相當高的市佔率。採用 ARM 的 CPU 主要有 Apple、高通、聯發科等，大部份的手機以及平板都是使用 ARM 架構的 CPU。

和 ARM 相比，X86 則是由 Intel 和 AMD 等企業自主設計以及製造，所以市面上的桌機或筆電大多是 X86 架構的 CPU。此外，由於 X86 尚未採取和 ARM 一樣的方式，授權其他廠商採用該架構，這也就是為何採用 X86 的企業比採用 ARM 的企業還要少。

然而，為何 X86 得以在市場上佔有一席之地而非被 ARM 取代？主因是兩者早期在發展時，追求不同的目標，X86 主攻高速計算，ARM 則是主攻低耗能。因此，在市場上，會有低時脈雙核心筆電的 CPU 計算速度勝於高時脈 8 核心的手機 CPU 的情形發生。

由此可知，多核心或高時脈並不全然代表高效能，還會有其他的因素參雜其中。像是微架構的新舊版本之差異、內部電路設計的改進、軟體支援的完善程度等。所以當有業者強調高時脈或多核心就代表高效能時，不需全然接受，畢竟有多種因素會抵銷多核或高時脈所帶來的優勢。

但是，隨著技術的演進，現在 X86 和 ARM 都在朝向對手原有的優勢發展，低功耗 Core M 的問世便是最明顯的例子。接下來，這兩大架構間的競爭將越來越激烈，或許會越來越常看到採用 X86 的手機或是採用 ARM 的筆電。之後，這兩者會提出何種方案以應對，令人相當期待。

（首圖來源：Flickr/qwikrex CC BY 2.0）

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