中央處理器（英文：Central Processing Unit）簡稱CPU，由采用超大規模的集成電路組成制造，是計算機的運算核心和控制核心。CPU包括運算器、控制器、高速緩沖存儲器、內部數據總線、控制總線及輸入/輸出接口等模塊。
中央處理器廣義上指一系列可以執行復雜的計算機程序的邏輯機器。這個空泛的定義很容易地將在“CPU”這個名稱被普遍使用之前的早期計算機也包括在內。從1960年代早期開始，這個名稱及其縮寫已開始在電子計算機產業中得到廣泛應用。早期的中央處理器通常是為大型及特定應用的計算機而定制。例如1949年誕生電子離散變量自動計算機（EDVAC）上的中央處理器，隨后其構成從真空管演變為晶體管。隨后這種定制CPU的方法很大程度上已經讓位于開發便宜、標準化、適用于一個或多個目的的處理器類。這個標準化趨勢始于由單個晶體管組成的大型機和微機年代，隨著集成電路的出現而加速。集成電路（IC）使得更為復雜的中央處理器可以在很小的空間中設計和制造。1971年至90年代初，CPU主要朝計算性能提升發展，晶體管數量增長至數百萬級。90年代初至2000年初，CPU發展聚焦于個人應用和多媒體，同時晶體管數量由百萬級提升至千萬級。中央處理器的標準化和小型化都使這一類電子零件在現代生活中的普及程度越來越高。現代處理器出現在包括從汽車、手機到兒童玩具在內的各種物品中，這種集成設備通常被稱為微控制器或系統級芯片（SOC）。獨立式CPU通常用于臺式計算機、服務器和高性能計算系統。系統級芯片（SOC）應用在物聯網（IoT）、醫療應用和實時系統等領域。微控制器（MCU）則通常用于智能制造、智能家居、遙控器消費領域。2000年代初至2010年，64位處理器問世，CPU產品開始多元化，涵蓋服務器、桌面、移動端等，工藝制程亦得到顯著提升。2010年以后，多核技術和更高集成化成為CPU發展的特點。
現代CPU由硅芯片（CPU核心）、填充物、陶瓷電路基板、分立元件和針腳等構成。CPU內核由高純度單晶硅制造，以不同代號區分，代表其制造工藝和性能功能差異。CPU的主要性能指標包括：字長、主頻、核心數、前端總線頻率、高速CPU緩存、制造工藝、線程數、熱設計功率、功耗、超頻潛力等。大多數現代CPU都是基于集成電路（IC）微處理器實現的，擁有一個或多個CPU在單個集成電路芯片上。具有多個CPU的微處理器芯片稱為多核處理器。各個物理CPU（稱為處理器核心）也可以是多線程的。CPU分為CISC（x86架構）和RISC（如ARM、RISC-V、MIPS、POWER）指令集兩大類。按應用分為通用微處理器、微控制器和專用處理器，信息化系統中主要使用微處理器。
引言
定義與基本組成
中央處理器（Central Processing Unit，CPU），由采用超大規模的集成電路組成制造，是計算機系統的運算核心和控制核心。CPU由運算器、控制器、高速緩沖存儲器、內部數據總線、控制總線及狀態總線輸入/輸出接口等模塊組成。
CPU的重要性
中央處理器是計算系統中不可或缺的關鍵組件，是計算機的大腦。它是對計算機的所有硬件資源（如存儲器、輸入輸出單元）進行控制調配、執行通用運算的核心硬件單元。它可以同時調節計算機的內部功能、監督功耗、分配計算資源并與各種應用程序、程序和網絡連接。除了管理計算機活動之外，CPU還有助于實現和穩定數據存儲與內存之間的交互關系。幾乎所有計算機系統都至少包含某種類型的基本CPU。
中央處理器的性能直接決定了系統的整體表現。中央處理器決定了軟件應用程序和操作系統與計算機系統的兼容性。不同的中央處理器可能具有不同的架構、指令集和功能，從而影響在特定計算機平臺上有效運行的軟件和操作系統。中央處理器在管理和優化不同處理單元間的通信，如CPU與GPU之間的數據交換中起著至關重要的作用，有效的通信管理對系統整體性能有顯著影響。CPU的安全特性，包括認證和密封，對于維護系統操作的完整性和保密性至關重要。
歷史沿革
早期CPU
早期的計算機，例如1946年完成的大型通用電子數字計算機電子數字積分器和計算機（ENIAC），必須在物理上重新布線才能執行不同的任務，這些機器被稱為“固定程序計算機”。"中央處理器"（Central Processing Unit），這一術語最早出現在20世紀50年代。據《牛津英語辭典》記載，"中央處理器"一詞的最早文獻證據可追溯至1956年的《美國大學教師保險協會雜志》。然而，1955年美國商務部的文件中就已提及此術語。由于“CPU”一詞通常被定義為執行軟件（計算機程序）的設備，所以真正意義上的CPU是隨著存儲程序計算機的誕生而出現。
在埃克特（J. Presper Eckert）和約翰·莫奇利（John William Mauchly）ENIAC最初的設計中，就已經有了存儲程序計算機的想法，但為了讓ENIAC早日完工而忽略了這一想法。1945年6月30日，在ENIAC誕生之前，數學家約翰-馮-諾依曼（John von Neumann）發表了一篇題為《EDVAC報告初稿》（First Draft of a Report on the EDVAC）的論文。這是最終于1949年8月完成的存儲程序計算機電子離散變量自動計算機（EDVAC）的輪廓。EDVAC上的CPU是由真空管（熱電子管）構成的。
早期同步CPU是定制設計，作為大型計算機的一部分使用，且受限于其所采用的開關器件的速度，時鐘頻率大多較低，時鐘信號頻率一般為100 kHz到4 MHz。
晶體管CPU
20世紀50年代CPU開始由晶體管來構建。這一改進使得CPU可以和其他組件構建在一個印刷電路板上。1964年，IBM推出了IBM System/360計算機架構，該架構讓不同速度和性能的計算機運行相同的程序。為了促進這一改進，IBM使用了微程序（microprogram）的概念，該概念在現代CPU中仍然廣泛使用。與早期基于電子管或繼電器的計算機相比，晶體管技術為計算機帶來了多項顯著優勢。晶體管的使用不僅增強了系統的可靠性和降低了能源消耗，還顯著提升了中央處理器（CPU）的運行速度。這主要得益于晶體管比傳統電子元件擁有更短的開關時間，使得CPU能夠實現數十兆赫的時鐘頻率。隨著分立晶體管以及集成電路（IC）在CPU設計中的廣泛應用，加之單指令多數據（SIMD）向量處理器等創新高性能計算架構的引入，計算機的處理能力得到了進一步的飛躍。這些技術進步共同推動了計算機性能的顯著提升。
小型集成CPU
集成電路（Integrated Circuit, IC）技術使得在單個半導體芯片上集成大量晶體管成為可能。最初，集成電路僅能小型化構成非常基礎的非專業數字電路，例如NOR門。這些基于基礎集成電路的中央處理器（CPU）通常被稱作“小規模集成”（Small-Scale Integration, SSI）設備。SSI集成電路，如阿波羅制導計算機所使用的，一般包含數十個晶體管。盡管構建完整CPU需使用數千個此類芯片，但與早期的分立晶體管設計方案相比，SSI集成電路仍顯著減少了空間占用和功耗。1965年數字設備公司推出的PDP-8計算機上使用了小型集成CPU。1969年阿波羅飛船飛船的制導計算機使用了小型集成CPU。1970年IBM推出的System/370計算機也使用了小型集成CPU。
大規模集成CPU
李-博伊塞爾（Lee Boysel）撰寫了多篇文章，闡述了如何通過使用少量的大規模集成電路（LSI）來構建具備32位大型計算機性能的設備。LSI芯片包含一百個或更多邏輯門，其生產完全依賴于金屬-氧化物-半導體（MOS）半導體制造技術，包括PMOS、NMOS或CMOS邏輯工藝。盡管如此，由于雙極型晶體管在速度上超過MOS芯片，一些公司，如Datapoint，直到1980年代初期依然利用雙極型晶體管晶體管邏輯（TTL）芯片來制造處理器。在1960年代，由于速度較慢，MOS集成電路主要被視為適用于低功耗需求的解決方案。
20世紀60年代末，設計師們開始努力將計算機的中央處理器（CPU）功能集成到單個芯片上。隨著1968年費德里科·法金（Federico Faggin）開發出硅柵MOS技術，該技術在20世紀70年代初期很大程度上取代了雙極TTL，成為標準芯片技術。該技術及其隨后的工藝優化使得將中央處理器的功能集成到單個芯片上成為可能。
隨著微電子技術的顯著發展，集成電路（IC）上集成的晶體管數量顯著增加，這導致構成一個完整中央處理器（CPU）所需的獨立集成電路數量相應減少。中規模集成（MSI）和大規模集成（LSI）技術的應用使得單個集成電路能夠包含數百乃至數千個晶體管。到了1968年，構建一個完整的CPU僅需24種不同類型的集成電路，每種都大約包含1000個金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）。與早期的小規模集成（SSI）和MSI技術相比，數字設備公司（DEC）的PDP-11計算機首次采用LSI技術，其CPU僅由四塊LSI集成電路組成。
微處理器
1971年，英特爾公司推出了世界上第一臺微處理器4004，這是第一個用于計算機的4位微處理器，也是首個將中央處理器功能集成到單個芯片上的微處理器。20世紀70年代，研究人員開發了各種各樣的微處理器，其中絕大多數是8位設備。1978年，Intel公司首次生產出16位的微處理器，并命名為i8086，同時還生產出與之相配合的數學協處理器i8087，這兩種芯片使用相互兼容的指令集，但在i8087指令集中增加了一些專門用于對數、指數和三角函數等數學計算指令。由于這些指令集應用于i8086和i8087，所以人們也將這些指令集統一稱之為x86指令集。
1979年，英特爾公司推出了8088芯片，它屬于16位微處理器。1981年，8088芯片首次用于IBM PC機中，開創了全新的微機時代。也正是從8088開始，個人電腦PC（personal 計算機）的概念開始在全世界范圍內發展起來。1982年，Intel推出了劃時代的產品80286芯片，也就是俗稱的286。這是Intel第一個可以運行所有為其撰寫的處理器，在發布后的六年中，全球一共交付了一千五百萬臺。
1985年，MIPS推出了第一代使用MIPS指令集的處理器:R2000標志著現代RISC處理器的誕生，并引領了接下來一段時間的CPU設計潮流；同年，第一顆ARM處理器誕生。1991年，ARM推出第一款嵌入式RISC處理器，即ARM6。
1985年，中國的中科院計算所、半導體所有關研制大規模集成電路的單位和109廠合并，成立中科院微電子中心。但這一時期，由于政策支持力度有所減弱等原因，產業完全市場化但自主性不足。
1989年，英特爾發布了Intel80486處理器。486處理器的應用意味著用戶從此擺脫了命令形式的計算機，進入“選中并點擊（point-and-click）”的計算時代。486處理器首次采用內建的數學協處理器，將負載的數學運算功能從中央處理器中分離出來，從而顯著加快了計算速度。486是英特爾最后一款以數字為編號的處理器。此后，英特爾開始告別微處理器數字編號時代，進入到了Pentium時代。
20世紀90年代，片上系統（SoC）誕生。它不再利用不斷增長的晶體管資源來提高微處理器的性能，而是將越來越多的系統功能集成到微處理器所在的同一塊微芯片上。1992年，英特爾正式宣布第五代處理器被命名Pentium。Intel Pentium處理器能夠讓電腦更加輕松地整合“真實世界”中的數據（如講話、聲音、筆跡和圖片）。x86在微架構設計上開始超越較之昂貴很多Alpha處理器。
1996年，Intel推出了奔騰mmx。MMX是Intel公司在1996年為增強奔騰CPU在音箱、圖形和通信應用方面而采取的新技術，為CPU增加了57條MMX指令，因此處理多媒體的能力上提高了60%左右。后來的SSE，3DNOW！等指令集也是從MMX發展演變過來的。
1997年-2000年，英特爾奔騰II、奔騰III、奔騰4相繼發布，從奔騰II開始采用了Single Edge Contact匣型封裝，奔騰III加入了70個新指令，首次導入0.25微米技術，奔騰4晶體管數量更是達到4200萬，提供SSE2指令集。
單核時代，頻率是CPU最重要的性能指標。這個標志性1GHz CPU在2000年3月由AMD首先發布，型號是Athlon 1000。自此CPU的頻率從MHz跨入了GHz。
2001年，英特爾至強（Xeon）處理器發布，Intel至強處理器的應用目標是那些即將出現的高性能和中端雙路工作站、以及雙路和多路配置的服務器。2002年，迪吉多被惠普收購，Alpha處理器基本退出市場競爭。
2002年，中國首款通用CPU—龍芯1號流片成功。
2003年，IntelPentium M處理器結合了855芯片組家族與IntelPRO/Wireless2100網絡聯機技術，成為IntelCentrino移動運算技術的重要組成部分，該處理器支持更耐久的電池使用時間，以及更輕更薄的筆記本電腦造型。
2003年，AMD推出AMD64–64位x86指令集擴展，該指令集由于良好的兼容性機生態，取代了英特爾推出的EPIC指令集，成為后續市場主流標準。2004年，Intel公司推出代號為Nocona內核的64位至強處理器，是Intel迄今為止推出的最成功的企業級64位服務器產品。同年，ARM發布了ARMv7架構的Cortex系列處理器，同時推出Cortex-M3。
2005年5月26日英特爾發布了首款主流雙核處理器PentiumD，正式揭開處理器的多核心時代。該處理器擁有2.3億個晶體管，采用90納米工藝技術制造。2006年，中國的“核高基”重大專項推出，“高”即為高端通用CPU。
2006年，英特爾推出酷睿2是新一代基于Core微架構的產品體系統稱。酷睿2，是一個跨平臺的構架體系，包括服務器版、桌面版、移動版三大領域。其中，服務器版的開發代號為Woodcrest，桌面版的開發代號為Conroe，移動版的開發代號為Merom。2007年，第一代IPhone發布，其采用的ARM1176JZ（F）-S處理器，其后，AArch（32/64）生態統治了智能手機領域。
2010年之后CPU核心數量、頻率得以大幅發展，主頻突破3GHz，實現多核/多線程技術，AMD第1代APU（CPU集成GPU單元）開始出現。2011年，ARM發布了64位的ARMv8架構，并于同年推出big.LITTLE處理技術，優化了ARM系統級芯片（SoCs）的能效。ARM開始64位處理器進程。2015年，ARM Cortex-A72正式發布，定位高端市場。2014年，中國發布《國家集成電路產業發展推動綱要》，國家集成電路產業投資基金（簡稱國家大基金）第1期成立，主要投資集成電路制造企業。
2017年，英特爾第七代酷睿處理器i7、i5、i3發布，采用了14nm的制作工藝。同年6月，AMD發布基于Zen架構的第一代EPYC（梟龍），重返數據中心CPU處理器市場。2018年8月AMD宣布新品將轉由臺積電7nm工藝制造。2019年，中國國家集成電路產業投資基金第2期成立，主要投資應用端。
2020年5月23日，AMD正式發布新銳龍處理器Ryzen 7000系列，采用臺積電5納米工藝Zen 4架構打造。2020年12月24日，龍芯中科在北京發布新一代通用處理器3A4000/3B4000。該處理器采用28納米工藝，通過設計優化提升性能，是基于中國自主研制的新一代處理器核，主頻達到1.8G赫茲—2.0G赫茲，定點和浮點單核測試分值均超過20分，是上代產品的兩倍以上。
2022年5月10日，英特爾正式推出第12代英特爾酷睿HX處理器家族。該處理器采用了Goldden Cove+Gracemont的混合架構，代號Alder Lake，將高性能核心和高效能核心集成在同一個芯片上；制程工藝也從14納米縮小到10納米。
2023年11月28日，龍芯中科發布了通用處理器龍芯3A6000。龍芯3A6000處理器采用龍芯自主指令系統龍架構（LoongArch），是龍芯第四代微架構的首款產品，主頻達到2.5GHz，集成4個最新研發的高性能LA664處理器核，支持同時多線程技術，全芯片共8個邏輯核。綜合相關測試結果，龍芯3A6000處理器總體性能與英特爾公司2020年上市的第10代酷睿四核處理器相當。2024年1月隨著銳龍AI技術的推出，AMD首次將專用AI神經處理單元（NPU）的功能加入臺式PC處理器。
主要運作原理
CPU的主要運作原理是執行儲存在內存中里的一系列指令。大多數CPU的基本操作，不論其采用何種物理形式，都是執行一系列稱為程序的存儲指令。待執行的指令存放在某種類型的計算機存儲器中。幾乎所有CPU在其操作中遵循取指令、譯碼和執行的步驟，這些步驟一起稱為指令周期。
執行一條指令后，整個過程將重復，下一個指令周期通常會因為程序計數器的值增加而獲取順序上的下一條指令。如果執行了跳轉指令，則程序計數器將被修改為包含跳轉到的指令的地址，程序執行將繼續正常進行。在更復雜的CPU中，可以同時獲取、解碼和執行多條指令。以上這一流程即通常所說的“經典RISC流水線”，在許多電子設備中使用的簡單CPU中非常常見（通常稱為微控制器）。然而，它在很大程度上忽略了CPU緩存及其在流水線訪問階段中的關鍵作用。
有些指令的主要作用是操作程序計數器，而非直接產生數據結果；這些指令通常被稱為“跳轉”指令，它們對于實現程序的循環結構、條件執行（通過條件跳轉實現）以及函數的存在至關重要。在一些處理器中，還存在其他類型的指令，它們能夠改變“標志”寄存器中位的狀態。這些標志位能夠指示操作的結果，并對程序的行為產生影響。例如，在這類處理器中，“比較”指令會評估兩個值，并通過設置或清除標志寄存器中的位來標示哪個值較大或兩個值是否相等。這些標志位隨后可以被后續的跳轉指令所利用，以確定程序的執行流向。
CPU工作架構有約翰·馮·諾依曼結構（von Neumannarchitecture）以及哈佛結構（Harvardarchitecture）。馮·諾伊曼CPU的運作原理可分為五個階段：提取、解碼、執行、訪存和寫回。
結構和工作
工作原理
CPU的電路中硬連入了一組基本操作，稱為指令集。這些操作可能包括，例如，兩個數字的相加或相減，比較兩個數字，或跳轉到程序的不同部分。每個指令由一組位的獨特組合表示，稱為機器語言操作碼。在處理指令時，CPU將操作碼（通過二進制譯碼器）解碼為控制信號，這些信號編排CPU的行為。完整的機器語言指令由操作碼和在許多情況下指定操作的參數的額外位組成（例如，在相加操作中指定要相加的數字）。隨著復雜度的提高，機器語言程序是CPU執行的一系列機器語言指令的集合。每條指令的實際數學操作是由CPU處理器內的組合邏輯電路執行的，該電路被稱為算術邏輯單元（ALU）。通常，CPU通過從內存中獲取指令，使用其ALU執行操作，然后將結果存儲到內存中來執行指令。除了整數數學和邏輯操作的指令之外，還存在各種其他機器指令，例如從內存中加載數據和存儲數據，分支操作，以及由CPU的浮點數單元（FPU）執行的浮點數的數學運算。
運算器
運算器是計算機的數據處理核心，負責執行算術和邏輯運算，同時也是數據交換的中心。約翰·馮·諾依曼在1945年的《電子計算機邏輯結構初探》報告中提出了現代計算機的五大基本組成部分，包括運算器，并強調了運算器在計算機系統中的中心地位。運算器的結構雖然有區別，但必須包含如下幾個基本部分，即加法器、通用寄存器、輸入數據選擇電路和輸出數據控制電路等。
加法器
加法器的主要作用是實現兩個數的相加運算，對邏輯運算也給予一定的支持，并且常作為傳送數據的通路使用。
通用寄存器
通用寄存器組中有若千個寄存器是用來暫時存放參加運算的數據和運算結果（或中間結果）的。這是因為要將從主存儲器中取出的參加運算的數據，立即送到加法器中進行處理還存在一些問題，例如在對兩個數據進行操作的情況下是不可能從存儲器中同時取出兩個數據并直接送入加法器中處理的，而通常是利用寄存器來暫時存放將要參加運算處理的數據。在前幾節介紹的運算方法中，參加運算的數可看做是由運算器的通用寄存器直接提供的。另外有些寄存器可作變址寄存器、狀態寄存器、堆棧指示器使用。不同的機器對這組寄存器使用的情況和設置的個數也不相同。
輸入數據選擇電路
輸入數據選擇電路是對送入加法器的數據進行選擇和控制的電路。其作用為：一是用來選擇將哪一個或哪兩個數據（數據來源于寄存器或總線等部件）送入加法器；二是用來控制數據以何種編碼形式（原、反、補碼）送入加法器。常稱這部分電路為多路開關或多路反激式變壓器。這部分電路通常有實現某些邏輯運算的電路，它們也是由與、或、非門組成的。
輸出數據控制電路
輸出數據控制電路是一種對加法器輸出數據進行控制的電路。這部分電路一般具有移位功能，并具有將加法器輸出的數據送到運算器通用寄存器的通路和送往總線的控制電路。
控制器
控制器是計算機系統的控制中心和指揮中心，負責執行程序中的指令序列，確保計算機各部件按照預定的順序和時序運行。控制器的基本功能包括：控制指令執行順序、生成操作控制命令、處理異常情況以及提供時序控制信號。控制器是指按照預定順序改變主電路或控制電路的接線和改變電路中電阻來控制電動機的啟動、調速、制動與反向的主令裝置。控制器由指令部件、地址部件、時序部件、中斷控制部件和操作控制部件等組成，其作為“決策機構”，主要任務就是發布命令，發揮著整個計算機系統操作的協調與指揮作用。控制的分類主要包括兩種，分別為組合邏輯控制器、微程序控制器，兩個部分都有各自的優點與不足。其中組合邏輯控制器結構相對較復雜，但優點是速度較快；微程序控制器設計的結構簡單，但在修改一條機器指令功能中，需對微程序的全部重編。
此外，控制器還包括中斷邏輯，用于處理運算錯誤、硬件錯誤以及輸入輸出中斷請求，確保在緊急事件發生時能夠暫停當前程序，處理完畢后再返回原程序繼續執行。控制器的分類方式多樣，包括同步控制與異步控制、組合邏輯控制器與微程序控制器，以及集中控制與分布控制。隨著并行處理技術、流水線技術和超級計算機的發展，控制器的結構變得更加復雜，以適應更高的運算速度和性能要求。
高速緩沖存儲器
高速緩沖存儲器（緩存）是位于中央處理器和主存儲器之間的一種高速小容量存儲器，它對程序員透明，用于縮短數據存取周期。高速緩存通常采用靜態存儲器（sram）作為存儲介質，因其速度快但成本高，而主存儲器則使用成本較低、集成度更高的動態存儲器（DRAM）。
高速緩存的設置基于程序訪問的局部性原則，即時間局部性和空間局部性，這使得它能夠提高存儲系統的效率。高速緩存的組織以塊為單位，命中時訪問時間較短，而缺失時需要從主存儲器中加載數據，增加了訪問時間。命中率是衡量高速緩存性能的關鍵指標，它與應用程序的局部性以及高速緩存的組織結構有關。
高速緩存的映射策略包括直接映射、全相聯映射和組相聯映射，每種策略有其特點和適用場景。塊替換策略，如最近最少使用（LRU）策略，用于決定在高速緩存滿時哪個塊被替換。寫策略則涉及數據如何寫入高速緩存，包括直寫和后寫兩種方式。為了進一步減少高速緩存缺失的影響，可以采用多級高速緩存結構，每一級高速緩存速度不同，容量也不同，以實現容量和速度的平衡。此外，虛地址高速緩存允許使用邏輯地址（或虛地址）直接訪問，減少了地址轉換的時間。高速緩存的思想也被應用于計算機系統的其他方面，如轉換檢測緩沖器（快表）、文件高速緩存、磁盤高速緩存和網頁高速緩存，這些都是為了減少訪問延遲，提高系統性能。
內部數據總線IDB（Internal Data Bus）
內部數據總線將CPU內部的各個組成部分連接起來，為它們的數據傳輸提供通路；并通過數據總線緩沖器DBB（Data Bus Buffer）緩沖后輸出到CPU芯片外部，成為數據總線信號DB，用于隨機存取存儲器、I/O口等的數據。CPU的位數取決于其數據總線寬度。內部數據總線寬度決定了CPU在內部以多少位為基本單位進行數據的處理，稱為“字長”。字長越長，所表示處理的數據精度就越高。在完成同樣精度的運算時，字長較長的中央處理器比字長較短的中央處理器運算速度快。大多數中央處理器內部的數據總線與中央處理器的外部數據引腳寬度是相同的。
控制總線
總線，實際上是一組專門用于信息傳輸的公共信號線，各相關部件都被連接在這組公共線路上，采用分時操作進行控制，實現獨立的信息傳送。傳輸控制信息的即為控制總線。控制總線是中央處理器向各部件發出的控制信息、時序信息以及外部設備發送到微處理器的請求信息的總稱，這些信息起控制作用。它包括中央處理器向存儲器發送的讀選通信號、寫選通信號，以及外部設備向中央處理器發送的中斷請求信號等。控制總線中每一根線的方向都是一定的且是單向的，但作為整體來看則是雙向的。
輸入/輸出接口
輸入/輸出接口（I/O 接口）是計算機系統中連接中央處理器（CPU）與外部設備的關鍵組件，它充當信息交換的中轉站。由于CPU與外部設備在操作特性和速度上存在差異，直接連接會導致不兼容問題，因此接口電路是必需的。接口的基本功能包括數據緩沖、尋址、聯絡、數據轉換、輸入輸出控制、中斷管理以及時序控制。數據緩沖功能解決速度匹配問題，尋址功能通過地址譯碼器選擇正確的設備，聯絡功能提供外設狀態信息，數據轉換功能處理串行與并行數據格式的轉換，輸入輸出功能控制數據流向，中斷管理功能協調中斷請求，而時序控制功能則同步操作。
接口電路通常包含多個端口，包括數據端口、狀態端口和控制端口，這些端口通過地址總線、數據總線和控制總線與CPU相連。端口可以是只讀或只寫，有時多個端口可以共享一個端口地址，通過不同的方法如特征位法、特定順序法或索引法來區分。與存儲器不同，外部設備種類繁多，功能復雜，信號類型和電平多樣，信息結構格式復雜，因此需要接口電路進行適配和協調。接口電路的設計必須考慮設備的多樣性和復雜性，提供必要的功能以確保高效可靠的信息交換。
CPU的物理結構
CPU由硅芯片（CPU核心）、填充物、電路基板、分立元件和針腳等構成。硅芯片、填充物、電路基板等通過封裝以構成CPU。CPU的接口則承擔了CPU與主板的連接功能。
CPU核心，由極純的單晶硅構成。在內核晶圓上以一定的生產工藝蝕刻了數以億萬計的晶體管，CPU內核大小為200~300mn2（指甲般大小）。CPU的內部結構由控制單元、邏輯運算單元、存儲單元（包括內部總線和CPU緩存器）三大部分組成。控制單元負責完成數據處理過程中的調配工作，邏輯單元負責完成指令的運算執行工作，存儲單元負責原始數據和運算結果的存儲工作。所以，CPU內核中蝕刻的集成電路包括指令高速緩存（指令寄存器）、譯碼單元（譯碼器）、控制單元、寄存器、邏輯運算單元（ALU）、預取單元、總線單元（內部總線）、數據高速緩存等，它們分別承擔了控制、計算、數據處理等任務。
CPU的電路基板，也稱為封裝基板。它充當CPU核心與系統其余部分之間的接口，提供數據傳輸和電源分配所需的電氣連接。基板是一種分層結構，通常由玻璃纖維增強ep（FR-4）或其他先進材料制成，以確保可靠的性能。在半導體封裝和基板技術領域，研究工作集中在提升CPU封裝基板的性能、可靠性和微型化。研究者探索了如倒裝芯片技術、硅通孔（TSVs）、中介層等先進封裝技術，以改善CPU封裝基板的電氣和熱特性。此外，還研究了用于基板制造的新型材料，例如液晶聚合物（LCP）和高密度互連（HDI）基板，以滿足現代CPU對高速數據處理和能效的日益增長的需求。研究工作還致力于優化CPU封裝基板的設計和制造工藝，以實現更高水平的集成度、信號完整性和熱管理，以適應先進的微處理器的需求。
分類
CPU是一個龐大的家族，可以按照指令集、應用領域、集成水平、封裝類型等進行分類。
基于指令集
指令集是CPU所執行的指令的二進制編碼方法，是軟件和硬件的接口規范。日常交流中有時也把指令集稱為架構。CPU按照指令集可分為CISC（復雜指令集）和RISC（精簡指令集）兩大類，CISC型CPU目前主要是x86架構，RISC型CPU主要包括ARM、RISC-V、MIPS、功率架構等。
基于應用領域
微處理器根據應用領域，大致可以分為三類：通用微處理器（MPU，Micro Processor Unit）、微控制器（MCU，Micro ControllerUnit）和專用處理器，中央處理器（CPU，CentralProcessing Unit）屬于通用微處理器。
基于集成水平
基于封裝類型
核心技術
多核心技術
CPU的多核心技術是指在單個CPU芯片上集成多個處理核心的能力。與依賴單個核心處理所有任務的傳統CPU不同，多核CPU擁有兩個或更多核心，能夠同時執行指令，從而提高整體的處理能力和效率。多核CPU的一個主要優勢在于其并行處理能力。操作系統和各種應用程序能夠將任務分配到不同的處理核心上，從而優化資源的使用，提高系統的響應速度和性能。這種多任務處理和高要求應用程序的性能提升，是通過在多個核心之間平衡工作負載來實現的。
此外，多核技術還提供了計算系統的可擴展性，這比單純增加CPU的時鐘頻率更為有效。在執行并行任務時，多核CPU通常比單核CPU具有更高的能效比，這一點對于功耗敏感的移動設備和數據中心尤為重要。為了充分利用多核CPU的性能，軟件開發者需要設計能夠適應多核心架構的應用程序。并行編程技術和框架的開發對于實現這一點至關重要，它們能夠確保應用程序能夠高效地在多個核心上運行，從而最大化多核CPU的性能增益。自2006年以來，由于基于原有技術的CPU頻率難以進一步提升，性能沒有質的飛躍，主要的CPU生產廠商英特爾和AMD相繼推出了自己的多核心處理器。與單純提升CPU頻率相比，采用多核心技術的CPU在性能、功耗方面具有更多優勢。
異構集成技術
CPU的異構集成技術通過將不同類型的處理單元，如中央處理器（CPU）和圖形處理單元（GPU），以及其他專用加速器和協處理器（例如AI加速器）等，通過先進的封裝技術集成在一起，來優化性能和效率。這種集成策略利用了每種硬件的專長，針對特定任務提供定制化解決方案，從而提高了整個系統的處理能力。異構集成技術的一個關鍵優勢在于能夠建立CPU和GPU之間的共享地址空間，從而實現兩者之間的無縫通信和數據共享。這種共享內存架構增強了系統的一致性，促進了CPU和GPU之間高效的數據傳輸和處理。
隨著異構計算技術的發展，出現了如OpenCL這樣的開放標準，它們支持跨各種處理單元的編程，從單核處理器到多核處理器，再到異構平臺。這種編程模型的靈活性，使得系統內不同處理單元的多樣化能力得到了更好的利用。在異構集成芯片堆棧的熱設計和約束方面，諸如空氣間隙和熱橋等技術在管理集成組件產生的熱量方面發揮著至關重要的作用。有效的熱管理對于確保異構集成系統的可靠性和性能至關重要。此外，異構集成技術通過先進的封裝技術，將不同工藝節點制造的芯片組合成一個芯片，有助于降低設計成本并提高產量。它還允許靈活的系統集成，優化性能和功耗。為了充分利用異構集成技術，需要對相關的技術，如互連和封裝技術進行更多研究，以簡化系統整合的復雜性，同時提高性能、降低功耗并增加面積效率。
調度技術
CPU調度技術是操作系統中管理多個進程對CPU資源分配的核心機制，用于決定所有準備執行的進程的短期調度。調度技術旨在通過各種算法和策略來優化CPU的利用率并提升系統性能。不同的CPU調度方法包括先來先服務（FCFS）、最短作業優先（SJF）、優先級調度、輪轉調度（RR）、多級隊列調度（MQS）和多級反饋隊列（MFQ）。這些調度技術旨在最大化CPU利用率，最小化周轉時間，并優化資源分配。CPU調度算法包括非搶占和搶占兩種基本類型，其中搶占類型可以中斷當前運行的進程。不同的調度標準包括最大化吞吐量、最小化周轉時間和響應時間等。輪回調度技術可以通過使用不同的時間片段來最大程度地提高吞吐量，減少平均周轉時間和等待時間。
硅中間層技術
硅中間層（硅 Interposer），也稱為硅互連層或硅中介層，是一種大型基板，其上布置有穿透硅通孔（Through Silicon Vias TSVs），這些通孔允許在緊湊且高效的方式下集成多個核心和存儲元件。它允許不同芯片組之間通過高密度的互連進行通信。這種技術的一個主要優勢在于它能夠促進存儲器和處理器的集成，從而提高系統性能。通過利用硅中間層技術，可以實施復雜的多核系統，這些系統具有改善的內存帶寬和降低的延遲。此外，硅中間層技術還提供了一個平臺，用于實施創新解決方案，例如主動硅中間層。主動硅中間層裝備有二極管、晶體管等組件，可以通過實現更復雜的集成方案來提高系統效率并降低成本。
隨著技術的進步，單個芯片的制造變得越來越復雜和成本高昂。使用硅中間層和芯片組的方法可以克服這些問題。硅中間層可以使用更小、更高效的芯片組來構建大型處理器，每個芯片組可以針對特定任務進行優化。不同的芯片組可以獨立設計和制造，然后通過硅中間層集成到一起。較小的芯片組通常具有更高的制造良率，這有助于降低整體成本。這種設計方法使得可以構建出具有更高性能和更小尺寸的處理器。硅中間層可以更有效地分配電源給各個芯片組，并提供更好的熱管理解決方案。硅中間層還可以利用高密度互連技術，如Infinity Fabric，來實現芯片組之間的高速通信。
封裝技術
CPU封裝技術指用于封裝和保護計算機中央處理器（CPU）的方法和材料。封裝技術在保護CPU的硅芯片并為整個系統提供連接方面發揮著重要作用。封裝技術涵蓋了多種保護電子元件的方法，例如保形涂層、灌封和底部填充。這些技術旨在為組件提供環境保護、機械支撐和熱管理，從而提高其可靠性和使用壽命。不同封裝材料和工藝對電子組件性能和可靠性會產生不同的影響。封裝技術可以實現CPU核心的分割，從而提高整體性能，同時保留I/O接口和內存接口的優勢。不同的封裝技術可以滿足現代電子設備不斷變化的要求，例如3D集成、光電互連和細間距封裝。
流水線技術
流水線技術是中央處理器提高指令執行效率的關鍵方法。該技術通過將指令的執行過程分解為多個連續的階段（例如取指令、譯碼、執行、訪存和寫回等），使得每個時鐘周期內的工作量減少，從而提升主頻。同時，它允許多條指令的各個階段并行執行，如一條指令執行時，另一條可同時譯碼。盡管單條指令的執行時間保持不變，但流水線技術顯著增加了處理器在單位時間內執行的指令總數。流水線技術因其成本效益高和對提升計算速度的顯著效果，已成為計算機中廣泛使用的并行處理技術。在輸送流水線的每個功能段后，通常配備緩沖寄存器，用以存儲當前段的執行結果，供下一階段使用。評估流水線性能的主要參數包括吞吐率、加速比和效率：
超線程技術
超線程（Hyper-Threading, HT）是英特爾的術語，在計算機行業中也稱為同步多線程或SMT。它允許單個物理CPU核心模擬兩個邏輯核心，有效地將可用線程數量翻倍。這項技術通過允許多個線程同時在單個核心上運行，提高了CPU資源的利用率。當在CPU上啟用超線程時，每個物理核心都會在操作系統中表現為兩個虛擬核心。這意味著任務可以被劃分為多個線程，CPU可以更有效地在這些線程之間切換，從而提高性能和響應能力。超線程通過復制CPU架構中某些共享于兩個虛擬核心的部分來實現。這包括寄存器、執行單元和緩存等資源。通過共享這些資源，CPU可以并行處理更多線程，更好地利用其處理能力。超線程對于涉及多任務處理、并行處理以及可利用多線程的應用程序特別有益。它允許更好的CPU利用率，并可在并行執行受益的任務中帶來性能提升。需要注意的是，并非所有CPU都支持超線程，其效果也會因具體的工作負載和應用程序而有所不同。此外，雖然超線程可以在某些情況下提高性能，但并不總能帶來顯著的提升，也可能會引入一些開銷。
虛擬化技術
CPU虛擬化技術允許單個物理CPU充當多個虛擬CPU，使多個操作系統和應用程序能夠同時在單個物理機上運行。這項技術對于創建虛擬環境（如虛擬機）至關重要，在這些環境中，每個虛擬實例都像擁有自己的專用CPU一樣運行。CPU虛擬化有兩種主要方法:
CPU虛擬化技術對于服務器整合、資源優化和創建用于測試、開發和部署的隔離環境至關重要。它使組織能夠通過在單個物理服務器上運行多個工作負載來最大化硬件資源的利用率。虛擬化技術已經發展到支持實時遷移等高級功能，在這種情況下，虛擬機可以在不停機的情況下在物理主機之間移動，以及硬件輔助虛擬化，它將虛擬化任務卸載到CPU以提高性能。總的來說，CPU虛擬化技術在現代計算環境中發揮著至關重要的作用，它實現了資源利用的效率、可擴展性和靈活性，有助于管理和部署跨物理硬件的虛擬化工作負載。
主要性能指標
字長
字長是指計算機運算部件一次能同時處理的二進制數據的位數。字長越長，作為存儲數據，計算機的運算精度就越高；作為存儲指令，計算機的處理能力就越強。通常，字長總是8的整倍數，如8位、16位、32位、64位等，如英特爾486計算機和Pentium4計算機均屬32位機。現如今，64位的字長技術已經成為目前主流的一種CPU計算技術，它具有使計算機的計算能力倍增，支持可以滿足任何應用的內存尋址能力。
主頻
CPU的時鐘頻率是指CPU運行時的工作頻率，又稱為主頻，單位為Hz（赫茲）。通常主頻越高，CPU的運算速度越快，CPU主頻的高低主要取決于它的外頻和倍頻，它們的關系為：主頻=外頻×倍頻。任意改變CPU的外頻或倍頻都會改變CPU的主頻。
外頻是指CPU的基準頻率，代表CPU和計算機其他部件之間同步運行的速度，單位為Hz（赫茲）。外頻越高，CPU的處理能力就越強。
倍頻又叫倍頻系數，是指CPU主頻與外頻之間的比值。從理論上講，在外頻不變的情況下，倍頻越大，CPU的實際頻率就越高，運算速度也就越快。目前的CPU大都鎖定了倍頻，人們常說的“超頻”主要就是通過修改外頻來提高CPU的主頻。
前端總線頻率
前端總線是CPU與主板北橋芯片或內存控制器之間的數據通道，也是CPU與外界進行交換數據的主要通道，它們之間的傳輸速度被稱為前端總線頻率，前端總線頻率越大，CPU與北橋芯片之間的數據傳輸能力越強。
高速緩存
CPU的高速緩存（緩存）是內置在CPU中的一種臨時存儲器，讀寫速度比內存快，它為CPU和內存提供了一個高速數據緩沖區。
CPU讀取數據的順序：先從緩存中尋找，找到后直接進行讀取；如果未能找到，才從內存中進行讀取。
CPU的高速緩存一般包括一級緩存、二級緩存和三級緩存3種。一級緩存（L1Cache）主要用于暫存操作指令和數據，它對CPU的性能影響較大，其容量越大，CPU的性能也就越高。二級緩存（L2Cache）主要用于存放那些CPU處理器一級緩存無法存儲的臨時數據，包括操作指令、程序數據和地址指針等。三級CPU緩存（L3緩存）主要是為讀取二級緩存后未命中的數據設計的一種緩存。在擁有三級緩存的CPU中，只有約5%的數據需要從內存中直接調用。不過隨著內存延遲的降低，CPU的執行效率大大提高。目前，只有高端CPU才有三級緩存。
制造工藝
CPU的“制造工藝”是指在生產CPU的過程中，要制造導線連接各種電路和電子元件。制造工藝影響核心的能效和性能。通常，CPU生產的精度以納米（nm，1納米等于千分之一微米）來表示。精度越高，生產工藝越先進，利用同樣的材料就可以制造出更多的電子元件，同時連結線也越細，CPU的集成度也越高，其功耗也越小。制造工藝的“納米”是指IC（集成電路）內電路與電路之間的距離。IC電路設計密度愈高，意味著在同樣面積的IC中，可以設計密度更高、功能更復雜的電路。微電子技術的發展與進步主要是靠工藝技術的不斷改進，使器件的尺寸不斷縮小，從而集成度不斷提高，功耗降低，器件性能得以提高。早期的處理器都是使用0.5μm工藝制造出來的，隨著CPU頻率的增加，原有的工藝已無法滿足產品的要求，于是便出現了3nm的制造工藝。
核心數
CPU的核心數是指單個CPU封裝中的CPU內核數量，早期的CPU都是單核的，但從PentiumD開始，越來越多的CPU采用了多核心設計，例如英特爾的Core2Duo，AMD的Athlon64x2等。核心數量決定了計算機并行計算的能力，每個核心可以分別獨立運行程序指令，利用并行計算的能力，可以加快程序的運行速度，提供多任務能力。例如，酷睿i74690X的主頻為3.6GHz，核心數量為6核。
線程數
線程數是指中央處理器可以同時處理的線程的數量。線程是中央處理器可以執行的單獨指令序列。線程數決定了中央處理器可以同時處理的任務或進程的數量。線程是CPU核心的虛擬版本。為了創建線程，英特爾處理器采用超線程技術（Hyper-Threading），而AMD處理器采用同時多線程技術（Simultaneous Multithreading，簡稱SMT）。這兩種技術本質上是相同的，它們都是將物理核心分解為虛擬核心（線程）以提高性能的過程。例如，具有四個物理核心的AMD處理器使用SMT技術提供八個線程，而大多數具有兩個物理核心的Intel處理器使用超線程技術提供四個線程。這些方法對處理器的整體性能有顯著影響。
熱設計功率
CPU熱設計功率（TDP）是一種規格，表示計算機中的冷卻系統需要散發的CPU產生的最大熱量。對于系統構建者和用戶來說，這是一個關鍵參數，可以幫助他們了解CPU的散熱要求，并確保冷卻解決方案足以將CPU溫度保持在安全的操作限度內。TDP值通常以瓦特（W）表示，表示CPU在正常運行條件下預計會散發的最大功率（熱量）。較高的TDP值表示CPU產生的熱量更多，需要更強大的冷卻解決方案來防止過熱。TDP由多種因素決定，包括CPU的架構、時鐘速度、內核數量和電壓要求。在為系統選擇CPU時，這是一個重要的考慮因素，尤其是在高性能計算環境中，熱管理對于確保系統穩定性和使用壽命至關重要。術語熱設計功率已經被處理器基本功率取代。
功耗
功耗是指中央處理器在運行時消耗的電量。它是CPU執行計算任務所消耗能量的量度，通常以瓦特（W）表示。CPU的功耗受各種因素影響，包括CPU的架構、時鐘速度、內核數量、工作負載強度和電壓要求。CPU的功耗可能因正在執行的特定任務而異。例如，當CPU處于空閑或輕負載狀態時，與運行需要高處理能力的密集型應用程序或任務相比，它消耗的電量較少。CPU的功耗是系統設計中的一個重要考慮因素，尤其是在移動設備和數據中心，能源效率非常重要。CPU制造商通過優化設計、減少漏電和實施節能功能（例如動態頻率調整和睡眠狀態）來提高CPU的能源效率。降低功耗不僅有助于降低能源成本，而且還有助于延長移動設備的電池壽命并降低臺式機和服務器系統的冷卻要求。
超頻潛力
超頻潛力指的是中央處理器（CPU）能夠以高于其默認或額定頻率的時鐘速度運行的能力。超頻涉及將CPU的時鐘速度提高到超出制造商規格的水平，以實現更高的性能水平。不同CPU的超頻潛力各不相同，受CPU架構、熱設計、供電系統以及硅晶片整體質量等因素的影響。CPU的超頻潛力通常以CPU能夠達到的最大穩定時鐘速度來衡量，該速度不會出現系統崩潰、過熱或數據損壞等穩定性問題。對于想要超頻CPU的用戶，通常會調整系統BIOS中的設置或使用專門的軟件來增加時鐘速度、電壓和其他參數，以使CPU超越其原廠限制。需要注意的是，超頻可能會使保修失效、增加功耗、產生更多熱量，并且如果操作不當可能會縮短CPU的使用壽命。從事CPU超頻的用戶應該充分了解其中的風險，并采取必要的預防措施，確保系統的穩定性和長期使用。
生產過程
CPU的生產流程是半導體制造技術中的一個復雜且精細的過程，主要包括以下關鍵步驟：
硅提純：采用高純度硅作為半導體材料，通過熔化并使用晶種引導生長，形成單晶硅錠，進而切割成晶圓，用于后續制造過程。
影印與蝕刻：在硅基片上涂覆光阻，利用紫外線和模板曝光，再通過化學溶液清洗，形成CPU電路的初步結構。
摻雜技術：通過擴散或離子注入等手段，精確控制摻雜劑的引入，改變硅晶體的導電性，形成N型或P型半導體區域。
沉積：使用化學氣相沉積（CVD）或物理氣相沉積（PVD）技術，在晶圓上沉積多層材料，構成晶體管、互連線等CPU組件。
化學機械拋光（CMP）：通過CMP技術，確保晶圓表面均勻平坦，為后續制造步驟提供良好基礎。
金屬化：在CPU的多層結構中填充金屬層，如鋁和銅，形成導電路徑。
封裝：將制造完成的CPU晶圓封裝進陶瓷或塑料外殼，以便于安裝和使用。
測試：對CPU進行多次電氣性能測試，確保產品質量和性能符合標準。
市場規模
2023年全球中央處理器的市場規模為1150億美元，預計2024年至2030年期間中央處理器的市場規模將以4.5%的復合年增長率增長，到2030年將達到近1201.8億美元。
2024年第一季度里，AMD在服務器和消費類市場獲得了更高的市場份額。與去年同期相比，AMD在桌面、移動、以及服務器的市場份額分別同比增長了4.7%、3.1%和5.6%，如果以收入占比的增長來看，則分別對應增長了3.8%、5.4%和5.2%，達到了19.2%、16.3%和33%。2024年第二季度，x86架構的中央處理器有64%來自英特爾處理器，而33%來自AMD處理器。僅從筆記本電腦CPU來看，英特爾在2024年第二季度的筆記本電腦CPU中占75%。
AMD
AMD成立于1969年，并于1972年在納斯達克股票交易所全球精選市場（NASDAQ）上市，是一家硅谷初創公司，最初只有數十名員工。AMD現已發展成為一家全球性公司。其產品和服務涵蓋了服務器微處理器（CPU）、圖形處理單元（GPU）、加速處理單元（APU）、數據處理單元（DPU）、FPGA（FPGA）、智能網卡（SmartNIC）、人工智能（AI）加速器和數據中心自適應片上系統（SoC）產品。
AMD微處理器產品典型的核心系列有：
英特爾（Intel）
英特爾公司是一家美國跨國公司和科技公司，總部位于加利福尼亞州圣克拉拉，在特拉華州注冊成立。英特爾為大多數計算機系統制造商提供微處理器，也是大多數personal computer（PC）中x86系列指令集的開發商之一。它還生產芯片組、網絡接口控制器、閃存、圖形處理單元（GPU）、FPGA（FPGA）以及其他與通信和計算相關的設備。
Intel微處理器產品典型的核心系列有：
高通
高通成立于1985年，一家美國跨國公司，總部位于加利福尼亞州圣迭戈，在特拉華州注冊成立。高通是一家主要為便攜式設備提供無線通信和數據傳輸半導體產品的無晶圓廠供應商。該公司的收入來自使用其知識產權的許可費、基于其設計的半導體產品的銷售以及其他無線硬件、軟件或服務。
龍芯
2010年，在中國科學院和北京市政府共同牽頭出資支持下，龍芯開始市場化運作，對龍芯處理器研發成果進行產業化。龍芯中科主營業務為處理器及配套芯片的研制、銷售及服務，主要產品與服務包括處理器及配套芯片產品與基礎軟硬件解決方案業務。
海思
深圳市海思半導體有限公司前身為華為集成電路設計中心，1991年啟動集成電路設計及研發業務，2004年注冊成立實體公司，提供海思芯片對外銷售及服務。海思產品覆蓋智慧視覺、智慧IoT、智慧媒體、智慧出行、顯示交互、手機終端、數據中心及光收發器等多個領域，為行業客戶與開發者提供芯片、器件、模組和板級解決方案。
IBM
國際商業機器公司（使用商標IBM），是一家美國跨國科技公司，總部位于紐約州阿蒙克，業務遍及175多個國家。20世紀60年代和70年代，以System/360為代表的IBM大型機是全球占主導地位的計算平臺，當時該公司生產了美國80%的計算機和全球70%的計算機。
聯發科技
聯發科成立于1997年，在全球設有多個辦事處，2013年時是全球第四大無晶圓廠芯片設計公司。聯發科為無線通信、高清電視、智能手機和平板電腦等手持移動設備、導航系統、消費多媒體產品和數字用戶線路服務以及光盤驅動器提供芯片。
安全性
CPU安全性是計算機安全的關鍵領域，其中的漏洞可能引起數據泄露和未授權訪問。CPU緩存側信道攻擊，例如CacheOut，展示了通過緩存驅逐可能導致敏感數據泄露的風險。差異模糊測試等技術在識別CPU設計漏洞中至關重要。此外，硬件輔助虛擬化技術面臨的安全挑戰可能威脅系統安全，如AMD CPU中的遠程認證協議問題。
2018年，英特爾、AMD和ARM設計的處理器中發現了兩個嚴重的安全漏洞，分別稱為“Meltdown”和“Spectre”。這些漏洞由谷歌Project Zero安全團隊與國際學術及行業研究人員共同揭露，幾乎影響所有現代計算機設備，包括智能手機、平板電腦和個人電腦，無論其操作系統或供應商。
Meltdown漏洞主要影響1995年后生產的英特爾處理器，但不包括Itanium服務器芯片和2013年前的Atom處理器。該漏洞允許攻擊者繞過應用程序與核心內存之間的硬件屏障，可能需要通過改變操作系統的內存處理方式來解決，這可能導致某些任務的性能下降高達30%。Spectre漏洞則更為普遍，影響包括英特爾、AMD和ARM設計的大多數現代處理器。它允許攻擊者誘使正常應用程序泄露機密信息。
2021年，蘇黎世聯邦理工學院（ETH 蘇黎世）的研究團隊揭露了英特爾處理器中軟件防護擴展（SGX）的安全漏洞。SGX是英特爾為提升數據安全性而推出的硬件控制機制，設計目標是確保在操作系統遭受攻擊時數據依然安全。該漏洞影響了微軟和谷歌的產品，并在2021年7月通過軟件補丁得到修復。
研究團隊發現，攻擊者可以利用此漏洞從SGX的安全區域中提取數據并執行任意代碼。蘇黎世聯邦理工學院的什維塔-辛德（Shweta Shinde）助理教授與新加坡國立大學（NUS）和中國國防科技大學（NUDT）的研究人員合作，于2021年5月識別出該漏洞，并迅速通報了英特爾和微軟。
漏洞“Downfall”（CVE-2022-40982）是由谷歌研究人員發現的一種側信道攻擊英特爾CPU的方法，于2023年8月8日公布。該漏洞允許本地攻擊者或惡意軟件從目標設備獲取潛在的敏感信息，例如密碼和加密密鑰。這一漏洞影響到了過去十年發布的英特爾酷睿和至強處理器。此外，云環境也可能受到影響，可能通過網頁瀏覽器遠程發起攻擊。
“Downfall”漏洞對內存優化特性產生影響，并利用了Gather Data Sampling（GDS）和Gather Value Injection（GVI）兩種技術。谷歌研究人員創建了一個概念驗證（PoC）漏洞利用程序，能夠從OpenSSL中竊取加密密鑰。漏洞披露之后，多個組織發布了針對Downfall漏洞的公告。
2023年3月的一項研究表明AMD Zen架構CPU存在Rowhammer安全漏洞，該漏洞通過快速切換內存行訪問引起位翻轉，可能被用于破壞系統安全。ETH Zurich的研究團隊開發了ZENHAMMER工具，成功對AMD Zen 2和Zen 3架構CPU實施Rowhammer攻擊，在多種DDR4和DDR5設備上觸發位翻轉，揭示了AMD Zen CPU的潛在風險。研究團隊向AMD披露了發現，技術細節和ZENHAMMER源代碼已公開，以促進業界分析和緩解措施開發。
CPU與GPU的對比
中央處理器（CPU）與圖形處理單元（GPU）是兩種不同的計算設備，它們在架構、功能和用途上存在顯著差異。CPU和GPU各有所長，它們在現代計算環境中互補使用，以滿足不同的計算需求。
發展趨勢
硅中間層技術
隨著硅中間層制造技術的進步，CPU核心設計出現了新的可能性。這些中間層提高了性能和效率，充當不同組件之間的橋梁，實現更好的連通性和熱量管理。利用硅中間層可以集成微流體冷卻系統，有效散發CPU產生的熱量。單片3D集成技術通過層間通孔實現組件垂直堆疊，帶來緊湊和節能的設計。先進封裝技術推動了多芯片集成的發展，提升了集成電路的性能和可靠性。硅中間層技術的進步改善了熱量管理、連通性和整體效率，塑造了半導體器件的未來。
微架構設計
CPU微架構的持續進步顯著受到緩存算法、預取技術和內存管理優化的推動。這些技術對于提升現代處理器的性能和效率發揮著至關重要的作用。高性能“大型”處理器作為CPU微架構發展中的關鍵部分，旨在提供卓越的處理能力和效率，以滿足復雜計算任務和高要求工作負載的需求。而處理器的設計和開發，以及CPU核心技術的整體進步，都依賴于CPU微架構的不斷演進。
調度策略
CPU調度策略正迅速發展，研究者提出多種策略和評估方法以提高CPU性能和效率。研究領域包括動態循環算法、節能調度、利用率感知節能算法和異構任務調度。新探索如優先級和循環算法的組合，以及云計算中智能優先級框架的應用，均顯示出提升調度性能的潛力。這些研究為CPU核心的效率和性能提供了關鍵見解。
量子計算
隨著計算科學的進展，量子計算與數字科學的結合為CPU核心的進化提供了新機遇。數字量子計算機（DQCs）利用量子比特和邏輯門，為解決復雜問題提供了新途徑。量子計算的高精度和速度，特別是在量子模擬和計算方面，預示著計算能力和效率的巨大提升。量子計算的進步還解決了安全性和效率的挑戰，對于CPU核心的未來至關重要。其獨特能力如量子糾纏和疊加，有望重新定義計算執行方式，顯著提高處理和數據能力。總之，量子計算與數字科學的融合為CPU核心的演進帶來了轉型機遇，并為提升計算能力和推動各領域創新提供了新途徑。
封裝技術
封裝技術在CPU核心發展中至關重要，通過多芯片模塊和高帶寬存儲器（HBM）DRAM等技術，優化了CPU與其他組件的集成。這些技術提升了CPU與系統其他部分的連接性和通信，使得開發更高效、強大的CPU成為可能。封裝技術的進步還允許創新，如在不同硅工藝中分割CPU核心，同時保持I/O和內存接口。2022年的研究顯示，封裝創新可提高性能，同時保留接口優勢。總之，封裝技術的持續進步不僅促進了CPU與其他組件的集成，還有助于提升CPU的性能、能效和用戶滿意度。
生產工藝
生產工藝的進步對提升CPU性能和能效至關重要。3納米生產過程成為新趨勢，三星電子等代工廠的3nm工藝量產，預示著CPU性能和能效的顯著提升。超越3納米的新型晶體管架構將進一步提升性能和效率。封裝技術的發展，特別是無鉛焊點的可靠性，對降低設計復雜性和提高制造效率至關重要。同時，半導體存儲技術的進步，如sram位單元的縮放和邏輯工藝的優化，也在推動存儲器設計創新，影響CPU性能。新材料和集成技術的應用，正在擴展CMOS技術在微電子系統和設備生產中的應用，有助于創建超高速CPU緩存存儲器，進一步提升CPU性能。
參考資料 >
CPU vs. SOC - The battle for the future of computing.researchgate.2024-06-01
1953: TRANSISTORIZED COMPUTERS EMERGE.computerhistory.2024-04-14
Interplay between Hardware Prefetcher and Page Eviction Policy in CPU-GPU Unified Virtual Memory.nsf.2024-05-25
A Review of System on Chip (SOC) Applications in Internet of Things (IOT) and Medical.researchgate.2024-05-25
Understanding the Concept of Microcontroller Based Systems To Choose The Best Hardware For Applications.researchgate.2024-05-24
What Is a CPU Thread? A Basic Definition.tomshardware.2024-05-24
英特爾?處理器中的散熱設計功耗 （TDP）.intel.2024-05-25
Power Protocol: Reducing Power Dissipation on Off-Chip Data Buses .eecs.2024-05-25
CPU Overclocking: Benefits, Requirements and Risks.umass.2024-05-25
The Central Processing Unit.lumenlearning.2024-06-01
multicore processor.techtarget.2024-06-01
Intel? Performance Counter Monitor - A Better Way to Measure CPU Utilization.intel.2024-06-01
The history of the central processing unit (CPU).ibm.2024-06-19
Debunking the 100X GPU vs. CPU Myth: An Evaluation of Throughput Computing on CPU and GPU.cs.2024-06-19
What is a central processing unit (CPU)?.ibm.2024-06-19
Where is the Data? Why You Cannot Debate CPU vs. GPU Performance Without the Answer.stanford.2024-06-19
What Is a Computer Processor (CPU)? Meaning, History, Working, Types, and Importance.spiceworks.2024-06-19
Automatic CPU-GPU Communication Management and Optimization.researchgate.2024-06-19
Innovative Technology for CPU Based Attestation and Sealing.intel.2024-06-19
central processing unit.牛津英語詞典.2024-06-01
Computers with names starting with I.ed-thelen.2024-04-14
Stored-program computing.haverford.2024-04-14
First Draft of a Report on EDVAC.wiley.2024-04-14
What Is Computer Performance?.nationalacademies.2024-04-14
The First Generation.computerhistory.2024-05-25
System/360.ibm.2024-04-14
Architecture of the IBM System/360 | IBM Journals & Magazine | IEEE Xplore.ieee.2024-04-14
Transistors, Relays, and Controlling High-Current Loads.nyu.2024-06-01
A Brief History of CPUs: 31 Awesome Years of x86.pcgamer.2024-06-01
Computer organization and design : the hardware/software interface.archive.2024-06-01
1962: AEROSPACE SYSTEMS ARE THE FIRST APPLICATIONS FOR ICS IN COMPUTERS.computerhistory.2024-06-01
The Apollo Lunar Surface Journal.NASA.2024-06-01
The integrated circuits in the Apollo manned lunar landing program.nasa.2024-04-20
The Digital Equipment Corporation PDP-8.divms.2024-04-20
System/370 Announcement.ibm.2024-04-20
The Texas Instruments TMX 1795: the (almost) first, forgotten microprocessor.righto.2024-06-01
S2 Speed & Power in Logic Families.brown.2024-06-01
1971: MICROPROCESSOR INTEGRATES CPU FUNCTION ONTO A SINGLE CHIP.computerhistory.2024-05-25
The Intel 4004 Microprocessor and the Silicon Gate Technology .intel.2024-05-25
1968: Silicon Gate Technology Developed for ICs.chm.2024-04-20
MOS GP computer.acm.2024-06-01
LSI-11, PDP-11/03 user's manual.bitsavers.2024-06-01
Microprocessors: the engines of the digital age.royalsocietypublishing.2024-06-06
詳解六大國產CPU處理器.澎湃新聞.2024-04-14
風風雨雨38年 英特爾桌面處理器發展史.中關村在線.2024-05-25
Intel CPU 發展簡史（一）.電子科技博物館.2024-05-25
The most important processors of all time.neterra.2024-05-25
BACKGROUNDER.intel.2024-05-25
Dual Core Era Begins, PC Makers Start Selling Intel-Based PCs.intel.2024-05-25
AMD發布5納米芯片，PC高端市場競爭加劇.界面新聞.2024-02-04
【人民日報】國產新一代通用處理器發布.中國科學院科技創新發展中心.2024-02-04
英特爾發布第12代酷睿HX移動處理器：桌面級規格 16核+5.0GHz高頻.新浪數碼.2024-02-04
龍芯上新！我國自主研發的新一代CPU發布.人民日報.2024-02-04
AMD推出新一代臺式機處理器 彰顯卓越PC游戲和創作者性能.AMD.2024-02-04
Computer Science from the Bottom Up .bottomupcs.2024-06-01
吉林大學遠程教育學院—計算機原理及系統結構.吉林大學遠程教育學院.2024-06-01
US Microelectronics Packaging Ecosystem: Challenges and Opportunities .arxiv.2024-05-25
CPU Package Substrates Manufacturer.highfrequencypcb-alcanta.2024-05-25
Research on mechanical reliability of multilayer packaging substrate based on build-up film.ieee.2024-05-25
Types of central processing units (CPUs).ibm.2024-06-19
Differences between LGA, PGA, and BGA in CPU packaging.diskmfr.2024-06-19
Intel? 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual .intel.2024-05-24
The microarchitecture of Intel, AMD, and VIA CPUs.agner.2024-05-24
Specifications.pantheonsite.2024-05-24
Design of the RISC-V Instruction Set Architecture.eecs.2024-05-24
Overview of the MIPS Architecture: Part I.harvard.2024-05-24
MIPS: A microprocessor architecture.ResearchGate.2024-05-24
IBM’s 24-core Power9 chip: 5 things you need to know.pcworld.2024-05-24
What is a Microprocessor?.intel.2024-05-24
Dedicated processors.IBM.2024-05-24
digital signal processor.britannica.2024-05-24
Pipelined Data-Parallel CPU/GPU Scheduling for Multi-DNN Real-Time Inference .ece.2024-05-25
Power aware virtual machine placement in IaaS cloud using discrete firefly algorithm.springer.2024-05-25
Introduction to System-on-Chip.torontomu.2024-05-25
Toward Smart Embedded Systems: A Self-aware System-on-Chip (SoC) Perspective.acm.2024-05-25
MCM, SiP, SoC, and Heterogeneous Integration Defined and Explained.3dincites.2024-05-25
Simba: Scaling Deep-Learning Inference with Multi-Chip-Module-Based Architecture.google drive.2024-05-25
Designing Virtual Memory System of MCM GPUs.csa.2024-05-25
Balancing Performance Against Cost and Sustainability in Multi-Chip-Module GPUs.ugent.2024-05-25
An Introduction to Plastic Pin Grid Array (PPGA) Packaging.ardent-tool.2024-05-25
Very long CMOS linear array image sensor assembled in a ceramic 554 pin grid array package.ieee.2024-05-25
A versatile sensor performance evaluation platform with an impactor-inspired sample chamber and virtual pin grid array.iop.2024-05-25
Development and characterization of next generation eWLB (embedded Wafer Level BGA) packaging.ieee.2024-05-25
Advanced packaging solutions of next generation eWLB technology.ieee.2024-05-25
A reliable solderless connection technique for high I/O counts ceramic land grid array package for space applications.researchgate.2024-05-25
Process and Key Technology of Typical Advanced Packaging.springer.2024-05-25
Life cycle impact assessment of semiconductor packaging technologies with emphasis on ball grid array.researchgate.2024-05-25
Ultrathin 3D FO-WLP eWLB-PoP (Embedded Wafer-Level Ball Grid Array-Package-on-Package) Technology.wiley.2024-05-25
Embedded Wafer-Level Ball Grid Array (eWLB) Packaging Technology Platform.wiley.2024-05-25
What is a Multicore Processor?.javatpoint.2024-05-25
Multi-core processors - An overview..researchgate.2024-05-25
An Overview of Multi Core Processors .ijisrt.2024-05-25
A Survey of CPU-GPU Heterogeneous Computing Techniques.acm.2024-05-25
Chiplet Heterogeneous Integration Technology—Status and Challenges.mdpi.2024-04-20
Nvidia Hopper GPU and Grace CPU Highlights .cloudfront.2024-04-20
Heterogeneous Computing With OpenCL .okacom.2024-05-25
Thermal Design and Constraints for Heterogeneous Integrated Chip Stacks and Isolation Technology Using Air Gap and Thermal Bridge.ieee.2024-05-25
CPU Scheduling Techniques: A Review on Novel Approaches Strategy and Performance Assessment.researchgate.2024-04-20
An Overview of the Development of a GPU with Integrated HBM on Silicon Interposer.ieee.2024-05-25
Enabling interposer-based disintegration of multi-core processors.dam-oclc.2024-05-25
NoC Architectures for Silicon Interposer Systems.eecg.2024-05-25
Scalable Memory Fabric for Silicon Interposer-Based Multi-Core Systems.ece.2024-05-25
Pioneering Chiplet Technology and Design for the AMD EPYC? and Ryzen? Processor Families : Industrial Product.IEEE.2024-04-20
Interconnect-Memory Challenges for Multi-chip, Silicon Interposer Systems.acm.2024-05-25
Active-lite interposer for 2.5 & 3D integration.ieee.2024-05-25
Summarizing CPU and GPU Design Trends with Product Data.arxiv.2024-05-25
Recent Advances and Trends in Advanced Packaging.researchgate.2024-04-20
What is Hyper-Threading?.惠普中國.2024-05-25
What is hyper-threading (HT)?.lenovo.2024-05-25
What Is Hyper-Threading?.intel.2024-05-24
What Is Hyper-Threading? A Look At Intel's Newest Multithreading Technology.premioinc.2024-05-25
What is virtualization?.ibm.2024-05-25
CPU Virtualization.educba.2024-05-25
A Comprehensive Dive into CPU Virtualization: The Mechanics Behind Modern Multitasking.medium.2024-05-25
“Making of a Chip” Illustrations.intel.2024-05-24
CS 140: Operating Systems (Spring 2019).stanford.2024-05-24
熱設計功耗是否意味著實際功耗？.英特爾.2024-05-25
What is thermal design power (TDP)?.lenovo.2024-05-25
Variations in CPU Power Consumption.researchgate.2024-05-25
LIMITED WARRANTY.intel.2024-05-25
5 Reasons to Overclock Your Next PC.intel.2024-05-25
CPU的生產過程.新浪科技.2024-02-04
Semiconductor Technology from A to Z.halbleiter.2024-05-24
Solution Processable Metal Oxide Thin Film Deposition and Material Growth for Electronic and Photonic Devices.ResearchGate.2024-05-24
Semiconductor Technology from A to Z.halbleiter.2024-05-24
Semiconductor Technology from A to Z.halbleiter.2024-05-24
Semiconductor Technology from A to Z.halbleiter.2024-05-24
Semiconductor Technology from A to Z.halbleiter.2024-05-24
Semiconductor Technology from A to Z.halbleiter..2024-05-24
PC Processor Market: Global Industry Analysis and Forecast (2024-2030).maximizemarketresearch.2024-05-25
x86處理器2024Q1市場份額報告：AMD在桌面和服務器市場持續推進.超能網.2024-05-25
Distribution of Intel and AMD x86 computer central processing units (CPUs) worldwide from 2012 to 2024, by quarter.statista.2024-05-25
Our Company.amd.2024-06-06
AMD 2023 Annual Report (Form 10-K). U.S. Securities and Exchange Commission.2024-06-06
INTEL CORPORATION.sec.2024-06-06
QUALCOMM Incorporated.sec.2024-06-06
Our Company.qualcomm.2024-06-06
Qualcomm calling on a new CEO amid intensifying competition.latimes.2024-06-06
龍芯中科技術股份有限公司.龍芯中科.2024-06-06
深圳市海思半導體有限公司.aiqicha.2024-06-06
公司簡介.海思官網.2024-06-06
INTERNATIONAL BUSINESS MACHINES CORPORATION.sec.2024-06-06
About IBM.IBM.2024-06-06
IBM.britannica.2024-06-06
全球分布.mediatek.2024-06-06
聯發科為2013年全球第四大IC設計公司.焦點臺灣.2024-06-06
The Next Global Smartphone Revolution: Made in Taiwan.wired.2024-06-06
關于聯發科技.mediatek.2024-06-06
CacheOut: Leaking Data on Intel CPUs via Cache Evictions.arxiv.2024-05-25
DifuzzRTL: Differential Fuzz Testing to Find CPU Bugs.ieee.2024-05-25
Security in Hardware Assisted Virtualization for Cloud Computing - State of the Art Issues and Challenges.researchgate.2024-05-25
Insecure Until Proven Updated: Analyzing AMD SEV’s Remote A?estation ./arxiv.2024-05-25
This article is more than 6 years old Meltdown and Spectre: ‘worst ever’ CPU bugs affect virtually all computers.theguardian.2024-06-01
Vulnerability discovered in Intel.ethz.2024-06-01
Companies Respond to ‘Downfall’ Intel CPU Vulnerability.securityweek.2024-06-01
ZENHAMMER: Rowhammer Attacks on AMD Zen-based Platforms.usenix.2024-05-25
Comparative Study on CPU, GPU and TPU.researchgate.2024-05-24
CPU Vs. GPU: Overview.phoenixnap.2024-05-24
CPU and GPU: features, differences and use cases.stackscale.2024-05-24
Multi-die Integration Using Advanced Packaging Technologies.ieee.2024-05-25
Integrated Silicon Microfluidic Cooling of a High-Power Overclocked CPU for Efficient Thermal Management.ieee.2024-05-25
Emerging monolithic 3D integration: Opportunities and challenges from the computer system perspective.researchgate.2024-05-25
Evolution of the Samsung Exynos CPU Microarchitecture.engr.2024-04-20
Survey on memory management techniques in heterogeneous computing systems.onlinelibrary.2024-05-25
A novel energy-efficient scheduling model for multi-core systems.springer.2024-05-25
CPU–GPU Utilization Aware Energy-Efficient Scheduling Algorithm on Heterogeneous Computing Systems..ieee.2024-05-25
A New Combination Approach to CPU Scheduling based on Priority and Round-Robin Algorithms for Assigning a Priority to a Process and Eliminating Starvation.researchgate.2024-05-25
A review on job scheduling technique in cloud computing and priority rule based intelligent framework.researchgate.2024-05-25
Simulating quantum materials with digital quantum computers.iop.2024-05-25
Quantum many-body simulations on digital quantum computers:State-of-the-art and future challenges.nature.2024-05-25
Advancements in Computing:EmergingTrendsinComputational Science withNext-Generation Computing.ijisae.2024-05-25
Advancements in Computing: Emerging Trends in Computational Science with Next-Generation Computing.ijisae.2024-04-20
Recent Advances and Trends in Advanced Packaging.ieee.2024-04-20
HBM (High Bandwidth Memory) DRAM Technology and Architecture.ieee.2024-05-25
Technology Prospects for Data-Intensive Computing..ieee.2024-05-25
Semiconductor Memory Technologies: State-of-the-Art and Future Trends.ieee.2024-05-25
Possibilities and Limitations of CMOS Technology for the Production of Various Microelectronic Systems and Devices.springer..2024-05-25