2004年：当CPU温和地走入那个良夜

开场白

提起1994年，你会想起那时在世界电影史上都大放异彩的一年的，那一年国外影坛神仙打架，《阿甘正传》、《肖申克的救赎》、《这个杀手不太冷》等等横空出世，中国也有《重庆森林》、《活着》这样的佳作。

而2004年在你印象里有什么记忆深刻之处呢？好像没有，2004年在大多人眼里是平平无奇的一年。然而却消无声息地开始改变了后来很多程序员的命运，一直影响到现在，尽管当中的很多人都不自知。这一切的源头都是CPU。

摩尔定律与登纳德微缩定律

摩尔定律（Moore's Law），我们都很熟悉。虽然名为定律，但并不是什么科学定律。这是Intel创始人Gordon Moore于1965年提出的一个观点：

集成电路上可以容纳的晶体管数目在大约每经过18个月便会增加一倍。

由于摩尔定律只是经验之谈，所以其中描述的翻倍时间并不总是准确，也有说法是18个月到24个月之间。另外还有一些延伸出来的解读指导着半导体行业的发展：比如每过N个月，芯片的性能就翻一倍。每过N个月，芯片的价格就降一倍。等等。

除了摩尔定律以外还有一个名气小一点的登纳德微缩定律（Dennard Scaling）：

晶体管的尺寸在每一代技术中都缩小了30% (0.7倍)，因此它们的面积A减少了50%。这意味着电路减少了30% (0.7倍)的延迟，因此增加了约40% (1.4倍)的工作频率。最后，为了保持电场恒定，电压降低了30%，能量降低了65%，功率降低了50%。因此，在每一代技术中，晶体管密度增加一倍，电路速度提高40%，功耗(晶体管数量增加一倍)保持不变。

在摩尔定律与登纳德定律提出之后的相当长的时间内，事情的发展都十分顺遂。CPU的性能在稳步的提升翻倍。在2000年前，CPU的更新换代，主要是提升时钟频率，而非增加核数。而且那时CPU的每次升级，软件可以自动地获得大幅性能提升。程序员们并不需要花费过多的学习成本，只需要更换新的处理器就可以了。那真是一段快乐的时光，直到2004年。

免费的午餐结束了！

当时人们早早地获得了2GHz的CPU，3GHz也很快成为主流。按照发展速度，4GHz、5GHz甚至10GHz的的CPU都应该能如期而至。但是从3GHz以后，4GHz却迟迟不至。受限于诸多物理问题，登纳德定律走向终结。

提高CPU主频变得越来越困难，因为这不仅仅是一个而是几个物理问题造成，特别是热、功耗过大、当前的电流泄露问题。

这是2007年，C++大牛Herb Sutter发表的文章《The Free Lunch Is Over》中的一句。

http://www.gotw.ca/publications/concurrency-ddj.htm

文中还有详细描述：

主要的处理器设计生产商，从Intel和AMD到SPARC和PowerPC，已经几乎穷尽了所有的传统方法来提高CPU性能。大多数应用在几十年内都可以获得免费规律的性能提升，甚至不需要发行新版本或做其他任何特殊的事情，因为CPU制造商（主要）和硬盘制造商（次要）拥有可靠的更新更快的主流系统。时钟频率不是衡量的唯一标准，甚至不是好性能的必要标准，但却是有指导意义的标准：我们已经习惯看到500MHz的CPU被1GHz的替代，1GHz的被2GHz替代等等。今天主流电脑的主频可以达到3GHz的范围。

为了能让CPU继续稳步地提升性能，给摩尔定律的18个月性能翻一倍的说法续命，CPU“被迫”朝向多核发展。当然CPU这么多年的技术发展不仅仅是时钟频率以及多核带来的，还有缓存，指令优化等等。但不得不说的是时钟频率和多核带来的提升更多些。

The Free Lunch Is Over，直译就是“免费的午餐结束了”。自此CPU发展的重点从不断提高时钟频率转移到了利用并行性的架构特性上。这意味着程序员们没办法在毫不感知硬件变化的情况下，继续享受硬件升级带来的红利了。并且需要编写不仅正确而且还要优秀的代码才能吃掉CPU新增的性能。当然前面这些话有些绝对，毕竟后来CPU缓存之类的优化，也可以让程序员免费享受到一些性能增益，只是还不够多而已。

尽管在2004年以前就有涉及到并行的技术。比如pthread与openMP。但对于大多数程序员而言，这其实是可有可无的非必修技能，而2004年以后，程序员们的技能树上则必须把多线程与并发编程的技能点满。然而这还不是全部，并发与并行并非完全对等的概念。真正的并行计算还有很有更多的技术接踵而至，越来越多的程序员们将无法独善其身。

在许多年以后，随着一场世纪围棋大战，人民对于并行算力的要求达到顶峰，显卡之上的GPU逐渐成为人们追逐的焦点。又因为数字货币引发的挖矿热潮，导致显卡一卡难求！当然这是另外一个故事了。

C++失去的10年

C++11的出现在一定程度上盘活了陷入僵局的C++，被称为C++的“文艺复兴”。在2011年向前倒推10年，可谓C++失去的十年。这期间C++只颁布了C++03这一个标准，并且并不是大版本，只能说是C++98基础上的一次小增补。在2003年往后，2011年之前的7年之间更是一个新版本都没有正式释出。其实C++11之前的版本代号是C++0x，确实是计划在2010年之前颁布的，中途曾定档为2009年，但最终仍然跳票。直到2011年才最终发布。

2000年前编程语言发展的重点，大抵体现在如何组织代码的软件工程学上，比如从面向过程到面向对象，又比如C++中的模板。这些都是编程范式上的探索。而自2003年之后，2011年之前的这段C++的晦暗时光中，Java、C#都一度攻城掠地，甚至PHP也赢来黄金期。这个时间段，C++的低落自然和Web的发展有关，但我感觉和CPU时钟频率陷入僵局，开始朝向多核发展也有着千丝万缕的联系。C++必须要针对多核有所作为！在此期间C++并非不能使用多线程，但那都是C语言的。C++只不过是兼容C语言而已，并且由于是系统级API，不同操作系统有着不同的实现。Java早早在官方标准中就定义好了多线程的API，因为虚拟机这一中间层，使得Java程序员可以轻松享受到便利。而这是C++的劣势。作为一门不是某个厂商把持的、面向系统的编程语言，C++还是需要统一各平台的多线程并发的API，而这并没有想象中那么容易。这并不是把pthread改成面向对象的接口那么简单，C++11做得也不仅仅是一个std::thread。还有统一内存模型、线程同步API、std::future、甚至lambda表达式等等等等。

当然C++失落的200x年与CPU遭遇2004年之间的因果联系大多仅代表我个人观点。毕竟前面提到的那篇《免费午餐结束了》是由C++大神撰写的。

闲谈时钟频率

前文的思绪有些飘，来点务实的。CPU运行在哪种频率下是有几种模式可以选择的。如果你是Linux系统的，可以尝试用cpupower frequency-info命令查看一下。可能展示是结果是powersave（节能模式）、performance（性能模式）或其他模式。我还真听说过有线上机器没有开启performance模式，而是powersave模式跑了很长时间，改成performance以后，啥代码都不用改，就获得了几十毫秒的性能提升的事。当然这种问题可能相对低级，专业的运维或基础架构团队应该都能保障，不需要程序员操心。

时至今日，我在公司的服务器机器上，查询CPU的频率的，基本也显示为3GHz。但咨询运维说机器CPU实际达不到满满的3GHz，只能到2.8GHz。我说怎么可能？他说用turbostat命令查看，那个显示的运行频率更真实。好吧，我试了一下还真是。

当然服务器和个人电脑的CPU是不同的。即使都是Intel家的，个人电脑一般是酷睿（Core）系列，而CPU是至强（Xeon）系列。自Herb Sutter发文的2007年，到如今也已经14年了。Intel其实也打造出来4GHz的产品。虽然比预期的时间晚了很多。然而毕十年之功于一役，后续稳步提升频率依旧艰难。所以程序员们，还是好好学习多线程编程和并行计算吧。