计算机科学入门
从 1 秒 1 次运算，到现在有千赫甚至兆赫的CPU，早期计算机的提速方式是 减少晶体管的切换时间 。晶体管组成了逻辑门，ALU 以及其他组件，但这种提速方法最终会碰到瓶颈，所以处理器厂商，发明各种新技术来提升性能，不但让简单指令运行更快，也让它能进行更复杂的运算。
复杂度
上次我们写了个做除法的程序，给 CPU 执行。
方法是做一连串减法，比如 16 除 4 会变成 16 - 4 - 4 - 4 - 4 ，碰到 0 或负数才停下。
但这种方法要多个时钟周期，很低效，所以现代 CPU 直接在硬件层面设计了除法可以直接给 ALU 除法指令，这让 ALU 更大也更复杂一些。
现代处理器有专门电路来处理图形操作， 解码压缩视频， 加密文档等等。如果用标准操作来实现，要很多个时钟周期。你可能听过某些处理器有 MMX 、3DNOW 、SSE ，它们有额外电路做更复杂的操作，用于游戏和加密等场景。
指令不断增加，人们一旦习惯了它的便利就很难删掉，所以为了 兼容 旧指令集，指令数量越来越多。
缓存
现代处理器有上千条指令，有各种巧妙复杂的电路，超高的时钟速度带来另一个问题—— 如何快速传递数据给 CPU 。
RAM 成了瓶颈，RAM 是 CPU 之外的独立组件，意味着数据要用线来传递，叫 总线 （bus）。
总线可能只有几厘米，但 CPU 每秒可以处理上亿条指令，很小的延迟也会造成问题。RAM 还需要时间找地址取数据，配置，输出数据，一条 " 从内存读数据" 的指令可能要多个时钟周期。
解决延迟的方法之一是给 CPU 内部 加一点 RAM ，也就是 缓存 （cache）。
RAM 不再每次只传 1 条数据，而是 一批 数据。当 CPU 需要取下一条数据时，缓存中已经有了，因此不需要再从 RAM 中取。因为缓存离 CPU 近，一个时钟周期就能给数据 —— CPU 不用空等！这比反复去 RAM 拿数据快得多。
如果想要的数据已经在缓存，叫 缓存命中（hit），如果想要的数据不在缓存，叫 缓存未命中 （miss）。缓存也可以当临时空间，存一些中间值，适合长/复杂的运算。
脏位
当 CPU 完成计算的时候，数据不是直接存到 RAM ，而是存在缓存，这样不但存起来快一些，如果还要接着算，取值也快一些。
但这样带来了一个有趣的问题，缓存和 RAM 不一致了。
这种不一致必须记录下来，之后要 同步 。
因此缓存里每块空间有一个 特殊标记 ，叫 脏位 （dirty bit）。
同步
同步一般发生在 当缓存满了而 CPU 又要缓存时 。
在清理缓存腾出空间之前，会先检查 脏位 。
如果是脏的，在加载新内容之前，会把数据 写回 RAM 。
指令流水线
如果你要做饭并烧一壶水，当然不需要等水烧开再开始做饭，只需要按下开关就可以去做别的事情了。
CPU 也是如此。
之前我们的 CPU 按序处理，取值 → 解码 → 执行 ，不断重复，这种设计，三个时钟周期 执行 1 条指令。
但因为每个阶段用的是 CPU 的不同部分，意味着可以并行处理！ 执行 一个指令时，同时 解码 下一个指令，读取 下下个指令，不同任务重叠进行，同时用上 CPU 里所有部分，这样的流水线 每个时钟周期执行 1 个指令 。效率 x3 ！
动态排序
和缓存一样，这也会带来一些问题。
第一个问题是 指令之间的依赖关系 ，你在读某个数据而正在执行的指令会改这个数据，也就是说 拿的是旧数据 。
因此流水线处理器要先弄清数据依赖性，必要时 停止 流水线，避免出问题。
早期的处理器 依次 顺序执行既定的处理器指令，高端 CPU 会更进一步，动态排序 有依赖关系的指令，最小化流水线的停工时间，这叫 乱序执行 ，和你猜的一样，这种电路非常复杂。
现代处理器为了提高性能并不严格按照指令的顺序串行执行，而是对执行进行 相关性分析 后并行处理乱序执行。比如当处理器中的某些指令需要等待某些资源，处理器不会真的在这里等待而停止指令的执行，而是利用等待资源的时间继续执行后续的指令。
在支持乱序执行的 CPU 中，后面的指令可能在前面指令执行结束前就开始执行了。
推测执行
第二个问题是 条件跳转 ，比如上集的 JUMP NEGATIVE ，这些指令会改变程序的执行流。
简单的流水线处理器，看到 JUMP 指令会停一会儿 等待 条件值确定下来，一旦 JUMP 的结果出了，处理器就继续流水线。
因为空等会造成延迟，所以高端处理器会用一些技巧。
可以把 JUMP 想成是 岔路口 ，高端 CPU 会猜哪条路的可能性大一些，然后提前把指令放进流水线，这叫 推测执行 。
当 JUMP 的结果出了，如果 CPU 猜对了，流水线已经塞满正确指令，可以马上运行，如果 CPU 猜错了，就要 清空 流水线（pipeline flush），处理器会将状态恢复到预测执行前的状态，再重新跳转到正确执行的分支或指令中运行。
为了尽可能减少清空流水线的次数，CPU 厂商开发了复杂的方法，来猜测哪条分支更有可能，叫 分支预测 ，现代 CPU 的正确率超过 90% 。
融毁和幽灵漏洞
2018 年 1 月 3 日，Google Project Zero（GPZ）团队安全研究员 Jann Horn 在其团队博客中爆出CPU芯片的两组漏洞，分别是Meltdown与 Spectre 。
为了保证程序运行的正确性，处理器会对指令执行安全检查，只有当前用户 权限 符合指令权限时才能被执行。
然而安全检查这个操作只有 当它的执行的结果真正被提交并对系统可见时 （指令退休）才会进行。
也就是说，如果在乱序执行中，指令并没有真正执行完成而只是 加载到缓存中 是 不会 执行安全检查的。
而此时由于乱序执行而被提前执行的指令会被处理器丢弃，但由于乱序执行的指令对缓存的操作在这些指令被丢弃时 不会 被重置。
乱序执行缓存污染即 Meltdown （融毁）漏洞，边界检查绕过即 Spectre （幽灵）漏洞。 Meltdown 与 Spectre 利用 侧信道攻击 可以进行 越权内存访问 ，甚至读取整个内核的内存数据。
微软在 2018 年 3 月 13 日 发布包含修复CPU漏洞功能的 3 月安全补丁 KB4088878 。
超标量处理器
理想情况下，流水线一个时钟周期完成 1 个指令，然后 超标量处理器 （superscalar processors）出现了，一个时钟周期完成多个指令。
即便有流水线设计，在指令执行阶段，处理器里 有些区域 还是可能会空闲。比如，执行一个 从内存取值 指令期间，ALU 会闲置。
所以一次性处理多条指令（取指令+解码） 会更好，这样就可以知道 接下来 的指令要用到哪些部分。
如果多条指令要 ALU 的 不同部分 ，就多条 同时 执行。
我们可以再进一步，加多几个相同的电路执行出现频次很高的指令，很多 CPU 有四个、八个甚至更多完全相同的 ALU ，可以同时执行多个数学运算。
多核处理器
之前说过的方法，都是优化 1 个指令流 的吞吐量。
另一个提升性能的方法是 同时 运行多个指令流，用 多核处理器 （multi-core processors）。
意思是一个 CPU 芯片里，有 多个 独立处理单元，很像是有多个独立 CPU ，但因为它们整合紧密，可以共享一些资源，比如缓存，使得多核可以合作运算。
多个 CPU
多核不够时，可以用多个 CPU ，一般来说，只有服务器主板上才有多个 CPU 插槽，这使得一张主板上可以插 2 个、 4 个，甚至 8 个 CPU。但是更多的 CPU 会带来更高的 故障率 ，而且就性能来说 1 + 1 并不等于 2 。
超级计算机
有时人们有更高的性能要求，所以造了超级计算机！
如果要做怪兽级运算，比如模拟宇宙形成，你需要强大的计算能力，给普通台式机加几个 CPU 没什么用，需要很多处理器！
截止到目前，世界上最快的超级计算机是 美国橡树岭国家实验室 的 Frontier ，也是是地球上唯一的百亿亿级超算。
