为什么CPU流水线设计的级越长，完成一条指令的速度就越快？cpu的流水线和频率有什么关系为什么流水线越高频率越容易做上去一千万个晶体管的cpu就不能上2G的频率

一般说来，制程工艺确定以后，流水线级数越多，越有利于提升主频。在更高的主频下，完成一条指令的时间当然就短。也就是说，增加流水线级数是为了提升主频，进而缩短完成指令的时间。但是，如果仅仅增加流水线级数却不提高频率，是无法缩短指令周期的。物极必反，如果流水线级数太多，就会增加运算的中途出错率，一旦出错就必须返工重算，这样反而降低了CPU的运算性能。奔腾4采用的就是超长流水线，为了提高主频，英特尔把北木核心的20几级流水线增加到Prescott核心的31级，虽然主频可以提高到4GHz，但性能却被AMD的短流水线的K8架构速龙64虐的满地找牙，不得不在酷睿2架构中重新采用了短流水线。

cpu的流水线长了，速度容易做上去！不过如果预测失败就导致预读取的数据全部作废，所以执行效率不好！至于千万个晶体管的cpu是可以做到2G的！可是好像意义不大！~~由于片级系统很复杂，千万个晶体管就实现不了什么功能的！而且其实cpu里面的大部分的晶体管是给cache用的，真正cpu内核的晶体管是很少的！Intel和AMD在桌面CPU市场上的激烈竞争，使双方都千方百计地拿出更强大产品来压制对方，而最引人瞩目的就是CPU的频率之争。随着CPU频率不断地攀升，Intel总是在自己某个核心的处理器到达极限之时采用新的、更长流水线的核心来消除频率的瓶颈。那么流水线和频率之间有什么关系呢？还是以上面的例子来说明。假如冲压、焊接、涂装和总装四个过程各自需要1个小时，现在我们把这四个工序细化：冲压分为冲压1（外壳）和冲压2（底盘）两个子工序，另外三个工序同样各自分成两个子工序，一共八个子工序。这样一来，完成每个子工序平均只需要半个小时，因此每隔半个小时就有一辆汽车完成装配，下线速度提高了一倍！如果再进一步细化，一分为二，那么完成每个工序平均只需要15分钟，即每隔15分钟就有一辆汽车下线，速度又提高了一倍（单辆汽车的生产时间仍是4个小时，但是两辆汽车的生产间隙更小了）。所以工序分得越细，单位时间内（例如8个小时）生产的汽车就越多。正是这样，CPU厂商才试图不断加长流水线，以利于频率的提升。长流水线带来的问题首先，由于现有芯片制造工艺的限制，频率的提升带来高功耗、高发热量的问题。尽管流水线增长，频率提升的空间相应增大，但是处理器频率提升的其它瓶颈却无法解决。而且过长的流水线意味着更加复杂的内部结构，生产的良品率也难以保证。其次，在CPU的工作中，指令往往不是孤立的，许多指令按一定的顺序执行才能完成一个任务。而一旦某个指令在运算过程中发生了错误，或者执行了没有用的指令，那么其后与之相关的指令就都没有用了。这些指令必须清除掉，然后再执行其它的指令，CPU相当于做了许多无用功！流水线越长，一旦出错影响也就越大，比如一个指令在最后一级出错，那么可能在后续流水线中的所有指令都要被清除，Northwood核心处理器要浪费20级工序的时间，而Prescott核心处理器就要浪费31级工序的时间！再者，由于任何电导体都会产生延时，流水线越长、级数越多就会导致延迟次数越多，总延时就越大，CPU完成单个任务的时间就会越长。基于以上两个原因，人们才常常说Prescott核心处理器的效率低下，需要用更大的缓存和更先进的技术加以弥补。因此我们可以看到低频率Prescott核心处理器与同频的Northwood核心处理器相比在性能上比没有什么优势，只有在Prescott核心处理器的频率不断提升之后才能抵消长流水线带来的负面影响并发挥出自身的优势。

一般说来，同等制程工艺的条件下，CPU的流水线级数越多，每一级电路设计的就越简单，就越容易工作在更高的频率下。即：流水线级数越多，主频越高。物极必反，流水线级数多虽然有利于提高主频并提升性能，但流水线复杂的同时也增加了运算过程中出错的概率。因此长流水线的CPU，实际性能反而受到很大的制约和影响。于是出现了短流水线的AMD速龙64可以依靠较低的主频狂虐高主频的奔4E、奔腾D系列。比如，Netburst架构奔腾4时代，一开始的北木核心奔4，只有20多级流水线，相应的最高主频只能达到3.2GHz，就是经典的P43.2cGHz。那个时候，英特尔进入了一个误区，以为提升CPU性能提高主频就可以了。为了继续提升主频，英特尔推出了Prescott核心的奔4，流水线级数增加到了丧心病狂的31级。相应的主频也提升到了3.8GHz。但在65nm工艺的条件下，3.8GHz大概是极限了，想风冷超越4GHz是几乎不可能的。于是有了英特尔CEO贝瑞特的惊人一跪，为自家产品达不到4GHz而向用户公开道歉。索性英特尔又回到了短流水线的正确道路，重拾高效的P6架构，加以改进推出了酷睿架构，开启了长达十余年的辉煌。