柚木

CPU能用多久?会不会因为老化而变慢?

电脑和手机用久了,都会越来越慢。“电脑老旧了。”大家都是这样认为的。就像人一出生就无可避免的滑向命运的终点,儿时的玩具会随着我们长大而变旧和破损,CPU作为手机和电脑的心脏和大脑,会不会随着我们使用而越来越慢,进而完全停止工作呢?相信我们很多人在脑海中偶尔会飘过类似的疑问。这是真的吗?我们先来看看CPU的寿命是如何决定的。

浴缸曲线模型(Bathtub Curve Model)

和大多数半导体设备一样,CPU的可靠性我们可以通过失效率来衡量。如果我们以时间为x轴,y轴为失效率。CPU的失效率曲线如下:

失效率曲线

蓝色的曲线叫做早期失效期(Infant Mortality),表明CPU在开始使用时,失效率很高,但随着产品工作时间的增加,失效率迅速降低。它的原因是由于制造和原材料带来的缺陷。

红色的直线叫做随机失效期(Random Failures),它是质量缺陷、材料弱点、环境和使用不当等因素引起的。它是个常数,它在CPU整个生命周期是个常数。

绿色曲线是耗损失效期(Wear-out),它在前期极低,后期开始错误后极具提高。是老化失效的原因。

综合上面三种曲线,综合失效率是紫色曲线,它呈现两头高,中间低的特征,形状像个浴缸,我们把它叫做浴缸曲线(Bathtub)模型。CPU在生命周期中的这种特点,表现在开始时故障率很高,如果没有问题,则可以稳定工作很久,到最后开始老化失效,故障率急剧升高。

Burn-in

许多人看到这里都会大吃一惊:“什么,CPU早期失效率这么高?是不是我刚买的CPU马上就要坏了?”CPU制造厂商并不希望大规模的退货发生,毕竟所有CPU至少都有3年的质保期。CPU厂商会封测期间,把CPU放入高温的环境下洗个澡(heat soaking),并加上高压。这样几个小时就相当于过了好几周。在把CPU拿出来测试,不好的淘汰掉,好的就可以进入浴缸曲线的底部稳定期,才能出货。这个工序叫做老化(Burn-in)。如图:

这样挑选后CPU直接跳过早期失效期,进入了稳定期。大家的CPU才会有3年质保。

3年之后呢,CPU会降速吗?

就像超市里的牛奶写的保质期3天,实际上5天之后大多数牛奶还是可以喝的一样。3年质保只是最小值,实际上大部分CPU用上7年以上都是没有问题的。那么多年后进入耗损失效期(Wear-out)后CPU会怎么样呢?首先,CPU的速度是恒定的,都是一个基频乘以一个比例(Ratio)出来的。基频现在Intel CPU一般是100MHz,我们用的3G CPU,Ratio就是30,下来刚好3GHz。而基频和Ratio在整个生命期是不变的,从而CPU运算速度是不变的。Wear out的后果是出错而不是降频,而很多种出错都会被CPU的错误检测发现并报告或者纠正,详情请参阅本专栏的另一篇文章计算机硬件出错了会发生什么?,如果发现出错,就是CPU开始进入失效期,以后错误会越来越多。

CPU为什么会失效?

实际上CPU失效的原因有好几个,我们今后会专门撰文介绍。它们的统一特点就是高温高电压会加速失效。如图:

失效与电压的关系(来源anandtech)

粉色的曲线是高温曲线,黄色是正常温度,而蓝色则是配备了好的散热系统。可以看出高温和高电压严重影响了CPU的失效率。这也是为什么超频后不再享受质保的原因。

结论

CPU使用长了并不会降频,如果我们把电脑和手机变慢的罪魁祸首归咎于CPU,那真是错怪它了。那么为什么电脑手机会越用越慢呢?原因很多,软件原因是安装软件越来越多等等;硬件原因也许就是风扇脏了,转速慢了,造成温度过高而降频(CPU风扇停转后会发生什么?CPU凭什么烧不坏);或者SSD的空间满了/没有启动Trim(杂说闪存番外:手机为什么越用越卡和闪存写放大)造成速度极大降低等等。

最后强调一下CPU的Wear-out是随着使用时间进行的。如果你把电脑放上几年不动,CPU并不会老化,反倒是SSD的内容丢失了(杂说闪存番外:我们的数据存在固态硬盘上安全吗?

其他CPU相关文章:

CPU制造的那些事之一:i7和i5其实是孪生兄弟!?

CPU制造的那些事之二:Die的大小和良品率

为什么CPU的频率止步于4G?我们触到频率天花板了吗?

为什么晶圆都是圆的不是方的?

为什么"电路"要铺满整个晶圆?

为什么Intel CPU的Die越来越小了?

为什么CPU越来越多地采用硅脂而不是焊锡散热?

为什么Intel CPU的Die越来越小了?

破茧化蝶,从Ring Bus到Mesh网络,CPU片内总线的进化之路

450mm的晶圆在哪里?

欢迎大家关注本专栏和用微信扫描下方二维码加入微信公众号"UEFIBlog",在那里有最新的文章。同时欢迎大家给本专栏和公众号投稿!

用微信扫描二维码加入UEFIBlog公众号