CPU是什麼？它在電腦和手機裡做些什麼

生活中的例子

在手機上點一下照片放大。用試算表軟體算出總和。冷氣配合房間的溫度把風減弱。這些動作的背後，都有CPU在運作。

電腦和手機的規格表上，會列出「最高3.5 GHz」「8核心」這類數字。新聞中也會出現「x86」「Arm」等詞。本文會依序看看CPU實際在做什麼，同時說明這些數字和詞的意思。

CPU的工作是執行「指令」

用一句話來說，CPU的工作就是執行程式。程式是把想讓電腦做的工作，分成非常小的步驟排列起來的東西。其中每一個步驟，稱為「指令」。

CPU能直接處理的指令，簡單得出乎意料。代表性的種類如下。

• 讀取、寫入：從記憶體拿來數字。把數字存回記憶體
• 計算：把2個數相加、相減等
• 比較：查看2個數哪個比較大，或是否相等
• 跳躍：依比較的結果，改變下一個要執行的指令位置

例如，想想「按下按鈕後，讓畫面上的數字加1」這項工作。在CPU中，它會變成「讀取數字」「加1」「寫回」這一串指令。「有沒有按下」的判斷，則由「比較」和「跳躍」組合而成。修照片也好、玩遊戲也好，追根究柢都是這類指令的龐大組合。

CPU接收的指令不是用文字寫成，而是用0和1的排列寫成。這種形式的程式稱為「機器碼」。人寫的程式，要先轉換成機器碼，再交給CPU執行。另外，這裡為了簡化，只列出了代表性的指令種類。

「取出→解讀→執行」的反覆

一串指令放在稱為記憶體的零件中。記憶體是把大量數字加上位址（位置的編號）記住的零件。CPU指定位址，讀寫記憶體的內容。

程式的指令和計算用的資料，都排放在同一個記憶體中。只要換掉程式，同一台機器就能做完全不同的工作，就是這個緣故。這種方式稱為馮紐曼架構，現在幾乎所有電腦都是根據這個想法製造的。

CPU會不斷重複以下3個階段。

1. 取出（擷取）：從記憶體拿來下一個要執行的指令
2. 解讀（解碼）：讀懂這串0和1的排列，是要做什麼的指令
3. 執行：進行計算或比較。需要時讀寫記憶體中的資料

下一個要取出哪個位址的指令，由CPU內部的一個小記憶位置記住。這稱為「程式計數器」。平常每執行1個指令，就前進到下一個位址；只有遇到「跳躍」指令時，才改寫成別的位址。重複執行和依條件分岔，都是用這個機制做出來的。

實際的CPU不會等1個指令走完這3個階段，而是像生產線一樣重疊進行。這稱為管線化處理。而且，能同時進行多個指令的CPU也很普遍。即使如此，結果都設計成和依照程式順序一個一個執行時相同。

時脈頻率：「3 GHz」是什麼數字？

CPU內部的電路，會配合以固定間隔送來的訊號，一點一點推進處理。這個訊號稱為「時脈」。它是規律地重複開、關的電訊號。

時脈頻率表示這個訊號1秒內來幾次。單位Hz（赫茲）是「每秒的次數」，G（giga）是10億。所以3 GHz的意思是，1秒內有30億次訊號。訊號的間隔只有約0.33奈秒（1奈秒是10億分之1秒）。

不過，1次訊號能完成幾個指令，依CPU的設計而不同。這個「每1個時脈能執行的指令數」稱為IPC（Instructions Per Cycle的縮寫）。1秒能執行的指令數，大致是「時脈頻率 × IPC」。即使頻率相同，IPC如果是2倍，同樣時間內就能執行2倍的指令。

此外，現在的CPU會依工作量和溫度，細微地調高或調低頻率。規格表上的「最高○ GHz」是條件良好時的上限，並不是一直以這個速度運作。

核心：負責執行指令的部分有好幾個

取出並執行指令的一整套電路，稱為「核心」。晶片是在小小的矽板上做出電路的零件。過去的CPU，1顆晶片上只有1個核心。現在幾乎所有CPU都有多個核心。8核心的CPU，可以同時進行8件工作（8串指令）。

核心會增加，是因為持續提高時脈頻率變得困難。要提高頻率，也必須提高電壓，耗電和發熱會急遽增加。2000年代中期，電腦用CPU的頻率停滯在數GHz。於是各家公司不再提高頻率，而是轉往增加核心的方向。

手機的CPU，很多是把效能高的大核心和耗電少的小核心組合在一起。例如iPhone 15 Pro（2023年）的CPU是6核心。根據Apple的規格，包含2個效能核心和4個節能核心。收信這類輕鬆的工作交給小核心，就能減少電池的消耗。

CPU、記憶體、儲存裝置的角色差異

CPU內部也有記憶的地方，但量非常少。CPU工作時，程式和資料主要放在記憶體（主記憶體）中。規格表上寫的「記憶體8 GB」，指的就是這個。現在的記憶體通常是叫作DRAM的零件，讀寫很快，但關掉電源內容就會消失。

另一方面，關掉電源也能保留照片和應用程式的地方，就是「儲存裝置」。手機的「256 GB」、電腦的SSD都屬於這一類。啟動應用程式時，它的內容會從儲存裝置讀進記憶體，CPU再執行記憶體上的指令。

從CPU的角度看，就連記憶體都很遠，讀取時要等待一段時間。因此，CPU會把常用資料的副本，放在自己身邊又小又快的記憶位置。這稱為快取。記憶體和儲存裝置的差異，在「記憶體和儲存空間有什麼不同？」中詳細說明。

CPU在哪裡？

在電腦中，CPU常常做成獨立的1顆晶片。不過，最近和手機採用相同做法的電腦也增加了。

在手機中，CPU不是單獨的零件。它和繪製影像的電路、通訊的電路等，一起集中在1顆晶片上。這種晶片稱為SoC。集中成1顆，就能做得更小，也更省電。Apple從2020年開始用在Mac上的M1等晶片，也是這種SoC。

汽車和家電中也有CPU。很多是在CPU加上小型記憶體和輸入輸出的電路，做成1顆晶片，稱為微控制器。它負責電子鍋的火候、冷氣的風量、汽車引擎和煞車的控制等。根據技術雜誌IEEE Spectrum（2021年），高級車中，這類控制用的電腦有的多達150個以上。

微控制器和電腦用CPU的差異，整理在「MCU與MPU的差異」的表格中。

CPU與GPU的差異

電腦和手機中，除了CPU，還有一種叫GPU的計算用零件。GPU原本是為了在畫面上繪圖而製造的。這項工作是用相同的步驟，同時計算畫面上數百萬個點的顏色。

CPU和GPU的差異，在於擅長的工作形式。CPU用數量較少的高效能核心，擅長把分岔很多的各種工作，一件一件快速處理完。GPU則排列了數千個簡單的計算電路，擅長把相同的計算一次套用在大量資料上。AI的計算常用GPU，是因為其中很多都是「相同計算的大量反覆」。

兩者沒有高下之分，而是分工。通常由CPU安排整體的流程，再把適合的計算交給GPU。差異整理在「CPU與GPU的差異」的表格中。

CPU由電晶體構成

CPU的電路，是把大量用電切換的小開關連接起來做成的。這種開關叫作電晶體。把開關組合起來，就能做出做簡單判斷的電路，例如「2個輸入都是1，就輸出1」。這稱為「邏輯電路」。

再把邏輯電路組合起來，就能做出把用0和1表示的數（二進位）相加的電路，以及記住數字的電路。把它們組合好幾層，就成了能取出、解讀、執行指令的CPU。電晶體的原理在「電晶體是什麼？」中說明。邏輯電路可以用「邏輯電路模擬器」實際組合試試看。

CPU使用的電晶體數量，隨著時代大幅增加。1971年發售的Intel 4004，是最早收進1顆晶片的CPU（微處理器）之一。它的電晶體約2,300個。2020年發表的Apple M1，約有160億個。不過，M1的數字不只是CPU的部分，而是包含GPU等在內的整顆晶片的數量。

指令集：x86與Arm的差異

CPU有哪些指令，各用0和1的什麼排列來表示，這個約定稱為指令集。正式名稱是「指令集架構（ISA）」。指令集是軟體和CPU之間的約定。只要指令集相同，即使內部電路的構造和速度不同，也能執行相同機器碼的程式。

廣泛使用的指令集，代表有2種。一種是「x86」，從Intel在1978年發表的8086延續下來，用在許多Windows電腦和伺服器上。另一種是「Arm」。根據Arm公司截至2024年3月的年度報告，Arm在手機用CPU中的比例，多年來都超過99%。

電腦用的應用程式不能直接在手機上執行，原因之一就是這個差異。人寫的程式，一般會先用轉換用的軟體變成機器碼再發布。這時，就要決定轉成哪種指令集的機器碼。x86用的機器碼，對Arm的CPU來說是一串意思不通的0和1。

不過，這是簡化過的說明。實際上，還有管理整台電腦的基本軟體（作業系統，OS）的差異。即使是相同的CPU，Windows的應用程式也不能直接在Android上執行。反過來，只要使用轉換的機制，也能執行為其他指令集設計的應用程式。

例如，Apple從2020年開始，把Mac的CPU從Intel的產品改為Arm架構的自家晶片。當時，Apple準備了「Rosetta 2」這個機制，可以把Intel用的應用程式轉換後執行。此外，也有把兩種機器碼放進同一個應用程式發布的方法，Apple建議開發者採用這種方法。

常見的誤解

從數字來看

光1秒約前進30萬km。把它分成30億份，每份約10 cm。CPU中的訊號，必須在這麼短的時間內通過電路。

從表中可以看出，時脈增加數千倍的期間，電晶體數量增加了約700萬倍。CPU變快的原因不只是頻率。利用增加的電晶體，增加核心和快取，讓1個時脈能完成更多指令，這點的影響更大。

進一步學習

• 用表格看差異：RISC與CISC的差異（指令集的設計理念）、ASIC、FPGA、SoC的差異
• 下一步的用語：分支預測、超純量（讓CPU跑得更快的設計）
• 用圖來看：讓指令重疊進行的管線，以及記憶體的階層，都在圖解的一覽中
• 從基礎讀起：「半導體是什麼？」