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 1CPU的多核優化有多困難?

隨著AMD銳龍的橫空出世，電腦CPU進入了多核震懾的時代。同一系列的產品，核心翻倍已經司空見慣，有爆料顯示Intel下一代CPU的i3將會配備4核8線程——這樣的CPU，三年前它的名字叫i7。而在高端系列中，核戰更是令人心驚膽戰，在售的AMD銳龍3900X的12核24線程已經足以令人倒吸一口涼氣，而即將上市的3950X更是配備了16核24線程，數框框愛好者們紛紛表示把持不住，高呼yes根本停不下來。

然而，多核CPU打游戲一定會更快嗎?不一定。排除頻率、架構IPC的差異，某些情況下多核CPU打游戲甚至會更慢——例如在某些情況下，AMD的12核新品3900X，某些游戲中要比8核的3700X更慢。

有測試顯示，核心更多、頻率更高的3900X在某些情況游戲表現不如3700X

要知道從規格來看，3900X全面壓倒3700X，且不說核心多了四個，連頻率也更高(3.8/4.6GHz vs 3.6/4.4GHz)，3級緩存也翻了倍(64MB vs 32MB)，那為什么會出現多核玩游戲更慢的情況?今天，就從這個現象出發，談談CPU和游戲優化的那點事吧。

游戲的多核優化有多難?

我們就先從游戲對多核心的優化談起吧。談游戲的優化，就繞不開對多核的支持。什么游戲對多核優化好、什么游戲只能一核有難、多核圍觀，一直是玩家們津津樂道的話題。為什么游戲在對多核心的優化上會出問題，而視頻壓縮等應用就能充分利用多核心?這和游戲的運行機制有關。

·為何游戲喜歡用單核心?

視頻壓縮這類任務可以輕易做到并行計算，例如一個線程壓縮某個片段，另一個線程壓縮另一個片段，多核一起運作，最后壓縮完成所有片段，完整視頻也就壓縮完成了。而游戲的運行一般都是線性的，某一步的運算往往會和上一步息息相關，很難充分利用多個線程。

多核心在渲染、轉碼時好使，但游戲卻不一定

例如在FPS游戲中，某個玩家被擊中產生傷害，那么這個傷害結果和子彈運行軌跡有關，需要先計算出子彈軌跡然后才能計算出傷害，這只能在一條線程中先后完成，無法通過多線程同時計算子彈軌跡和傷害。游戲想要充分利用多核，需要巧妙地將計算任務拆分成為多線程，例如不同的線程負責物理碰撞、AI行為等，技術門檻比較高，也得下更多功夫?；诖?，目前仍有大量游戲未能充分利用CPU的所有核心。

·支持多核心一定優化好嗎?

隨著時代的發展，越來越多游戲愿意在多線程優化上做出努力。例如前幾年，我們經常可以看到“i3默秒全”的情況，而現在的游戲大作已經將門檻提升至4核，雙核i3已經難堪大任。但盡管如此，仍會出現12核3900X表現不如8核3700X的情況，這又是為何?

出現這種情況，主要在于CPU核心調度不合理。銳龍的架構比較特殊，每4個核心封裝成為一個CCX，每兩個CCX封裝為一個CCD，核心和核心之間的通訊，可以跨CCX，乃至跨CCD，而無論是CCX還是CCD之間通信，都存在延遲。

Zen2的架構，可以看到核心-CCX-CCD的拓撲

換言之，如果一個程序能夠調用多個核心，會出現以下幾種情況。

1、調用的多核心處于同一CCX內，延遲最小;

2、調用的多核心跨CCX，但處于同一CCD內，有所延遲;

3、調用的多核心跨CCX、跨CCD，延遲最大

例如一個游戲可以調用4個核心，最理想的情況自然是調用同一CCX內的4核，這樣能獲得最好的性能。但實際上，代碼對多核心的調用不一定這么智能，很有可能不能辨認出哪些核心位于同一CCX上。于是，游戲可能會調用位于不同CCX、CCD的多個核心，產生的額外延遲導致性能有所損失。

知道了這些，就可以解釋為什么有時候3900X的游戲表現有時候還要低于3700X了。3900X封裝了兩個CCD，每個CCD內有兩個CCX，每個CCX有4核心，原生共4x2x2=16核心，屏蔽了4核心后得12核;而3700X則只有一個CCD，內含兩個CCX，共4x2=8核?？梢姡?900X比3700X多了一個CCD，多了一種可能產生額外延遲的情況，如果游戲不能發揮出3900X的多核心優勢，那么3900X表現略遜于3700X也就在情理之中了。

Windows 10 1903對Zen架構的優化之一，就是核心的調度邏輯，優先調用同一CCX內的核心

因此，即使游戲對多核進行了優化，但在核心調度方面，也需要另外下更多功夫，才能取得最佳性能。很高興的是，微軟已經意識到了相關問題，在Windows 10 1903中做出了優化，系統會優先調度處于同一CCX內的核心，避免跨CCX造成的延遲。如果你想要更好地發揮AMD Ryzen處理器的性能，升級到Windows 10 1903還是很有必要的。

2CPU單核性能真的在擠牙膏?

CPU單核性能真的在擠牙膏?

有人認為，目前CPU已經很難從頻率上做性能突破，架構亦難以進一步提升效率，堆核是性能進步的唯一之道。有的朋友從Intel的“擠牙膏”中論證這一觀點，認為CPU的同頻性能已經多年止步不前，而AMD的Zen2架構盡管效率相對于前代大幅提升，但也只是追上競爭對手的水平而已。用數年前的4核CPU和現在的4核CPU玩游戲，體驗似乎并沒有什么不同，也是一個有力的佐證。但事實是否如此?

實際上，這種觀點是片面的。之所以數年前的CPU在某些測試、某些游戲中表現尚可，是因為這些測試、游戲并沒有針對新CPU的指令集作出優化。近年來，新款CPU的一大價值在于增加了AVX、AVX2、TSX等指令集。如果代碼調用了相應指令集，能更高效地利用FMA這樣的浮點加乘混合單元，減少CPU流水線的閑置，性能表現可以獲得可觀的提升。

這些都可是近十年間陸續增加的指令集，不是說沒有堆核就是擠牙膏

以著名的渲染軟件Cinebench為例，這是DIY玩家都相當熟悉的CPU測試工具。最新版的Cinebench R20對比舊版的Cinebench R15，一大改進就是加入了AVX指令集的支持。在CPU對AVX指令集有較好支持的情況下，同樣的渲染項目，在Cinebench R20中跑，速度甚至要比Cinebench R15快一倍以上!新型指令集對性能的提升之巨，由此可見一斑。

Zen2的單核性能進步如此大，很大程度上是因為AVX2性能大幅提高

支持AVX或更新的指令集已經在渲染、視頻壓縮、科學計算等專業領域中漸漸成為常態，著名的Linux發行版Fedora 32甚至計劃不支持沒有AVX指令集的CPU。然而，仍有大量游戲未跟進AVX等新指令集，只支持老的SSE，新CPU跑這些游戲自然和舊款CPU沒有太大區別。在指令集支持方面，游戲對CPU仍缺乏應有的優化。

著名的游戲性能測試組件3DMark已經意識到了這點。在新的Time Spy Extreme測試項目當中，加入了AVX、AVX2乃至AVX512指令集支持，調用AVX512指令集跑分，成績對比SSE3跑出來的分數高了一倍有余。

AVX等新指令集在實際游戲中意義也變得越來越重大，例如《刺客信條：奧德賽》甚至不支持沒有AVX指令集的CPU(因為太激進，后來不得不重新兼容老CPU)，又例如某些使用了D加密的游戲需要FMA3指令集才能正確解密運行，早年的“神U”E1230 v2只能干瞪眼;如果你是PS3模擬器玩家，也有切身體會過TSX指令集下性能的飛躍。

育碧《刺客信條》新作一度不支持沒有AVX指令的處理器，新游戲會越來越注重先進指令集

總體而言，大部分游戲在指令集方面的優化做得依然不夠，在缺乏指令集優化的情況下，舊CPU和新CPU的游戲表現拉不出太大差距。但支持新指令集是游戲對CPU優化中無法規避的環節，活用新指令集才能彰顯新款CPU應有的價值，希望有更多游戲對新的CPU指令集作出優化吧。

后話

無論是增加CPU核心多線程，還是使用新型指令集提升SIMD性能，都可以大大增強CPU的性能。就消費市場而言，AMD似乎更多地走了多核路線，而Intel則致力于推行新指令集。但無論是哪種發展方向，都需要相應的軟件對此作出優化，才能發揮出CPU應有的性能。

現在早已經不是不改一行代碼就能發揮出新CPU的全部性能的時代，多核心和先進指令集，限于匱乏游戲支持的現狀，都不得不淪為“戰未來”。CPU并沒有在“擠牙膏”，游戲對CPU的優化也遠未到盡頭，希望未來我們能看到更多能發揮出CPU真正功力的游戲吧。