CPU超频的原理是什么？为什么超频要提高电压？提高/降低电压对CPU有害吗？
近期有朋友询问询问CPU电压和超频的关系，以及低电压会不会损害CPU。 让我想起关于CPU超频还欠有一篇旧账。今天我们来一起讨论一下，Intel的CPU超频的原理是什么？为什么超频要提高电压？以及回答知友关于电压和CPU寿命的问题。
CPU超频的原理
自从Intel放弃前端总线（FSB）后，CPU的频率计算十分的简单：
CPU主频 = 基频 × 倍频
基频（Base Clock，BCLK）是从南桥PCH的PLL发出的基础时钟信号：
它一路传递到CPU中，为内核和很多uncore部分（内存控制器，GPU等等）提供基础时钟信号：
这个基频缺省情况下是100MHz，可以提高到200MHz甚至更高。因为它并不仅仅为CPU内核提供基频信号，还为众多CPU中的小伙伴服务。提高它，内存频率、Cache频率、GPU频率等等都会成倍提高，所谓牵一发而动全身。也正因为如此，提高它会整体提高CPU的运输速度，但也很容易引发某些部分的不稳定。
有了基频，CPU中的各个器件并不是工作在100MHz上的，在它后面带个倍频（Multiplier），来为自己服务。例如内核、GPU、Cache和内存控制器等等，都有自己的倍频。
举个例子，标称3.5GHz的CPU，它的基频是100MHz，内核的倍频是35，算下来就是
100 × 35 = 3500MHz=3.5GHz
十分简单，是不是？超频中我们单独调节各个部分的倍频，来提高它的速度。例如我们把内核的倍频调成45，那么我们就有了4.5GHz的CPU。调整倍频的好处是可以单独调节，而不是像调整基频一样一股脑向上提高，死机后很难判断那里出了问题。
超频资深玩家往往先试探基频的极限，再单独调整内核的倍频，找到在此之上，倍频的极限。而入门用户，调节倍频往往就够了。
提高频率如此简单，只要我们有了K结尾的CPU，在BIOS中仅仅调整几个数字就好了：
超频真的如此简单吗？
情况要复杂很多，超频后，系统往往开始表现的不稳定。只要我们知道哪里不稳定，提高它的电压供给，往往就能让它再次稳定下来。为什么提高电压会改善高频的稳定性呢？
为什么要提高电压？
我在那篇较受欢迎的文章中对电压和频率的关系有所提及：为什么CPU的频率止步于4G?我们触到频率天花板了吗？
含有高达80多亿的场效应晶体管FET的Kabylak等CPU结构十分复杂，每个一个FET的简单示意图如下：
当输入低电平时，CL被充电，我们假设a焦耳的电能被储存在电容中。而当输入变成高电平后，这些电能则被释放，a焦耳的能量被释放了出来。因为CL很小，这个a也十分的小，几乎可以忽略不计。但如果我们以1GHz频率翻转这个FET，则能量消耗就是a × 10^9，这就不能忽略了，再加上CPU中有几十亿个FET，消耗的能量变得相当可观。
我们这里要引入门延迟（Gate Delay）的概念。简单来说，组成CPU的FET充放电需要一定时间，这个时间就是门延迟。只有在充放电完成后采样才能保证信号的完整性。而这个充放电时间和电压负相关，即电压高，则充放电时间就短。就越能保证信号的完整性。
如果超频后，频率升高，原先可以满足门延迟的电压慢慢就不能保证信号完整性了，这时提高电压，就可以降低门延迟，从而重新满足信号完整性。这就需要我们发现哪部分不能满足信号完整性，从而提高它的电压供给。
拿CPU内核超频来说，CPU内核电压叫做Vcore。每种CPU都有一个VID（Voltage Identification，电压识别码），这个代码会被主板的电压调节模块（VR）或者CPU内置的VR（silicon-based voltage regulator,FIVR）所识别从而来设置内核运作时的电压：
缺省的VID对应的电压只能保证标称的内核频率工作正常。根据每个CPU品质的不同，超过一定范围的频率后，往往需要提高Vcore，来满足稳定性的需要：
Vcore往往是auto，在超频时要单独设置
这里没有统一的某个频率必须多少电压，必须慢慢一点点试错，举个例子：
这是某个Skylake的电压和稳定频率关系。
当然不管三七二十一，一下设个爆大的电压也不是不行，但高电压往往意味着高功耗，一般没有人这么做。
高电压/低电压对CPU有害吗？
CPU的最大敌人不是电压，而是温度。超频的对CPU寿命的影响，也是因为温度，而电压的影响很小。实际上，CPU的电压无时无刻不在变化，CPU的EIST中对应的各个降频或者超频状态，VR提供的电压都不相同：
CPU的能效管理模块会根据CPU的频率，来要求VR提供不同的电压，从而节省用电。我们如果能提供有效的散热，超频对于CPU寿命影响不大。
现在回到朋友的问题上来，低电压并不会损害CPU寿命，反而会增加CPU寿命。现在问题来了，什么情况下要手动降低CPU电压呢？
我们前面提过VID，VID各种CPU都不同，但同种CPU（stepping，SKU）都一样，这意味着它对应的Vcore是Intel测试过，对于该种CPU都适用的电压。而熟知本专栏的用户都知道：
“All CPUs are born equal, but some are more equal than others." (猜猜引申自哪里？)
CPU品质各有不同，VID缺省对于的Vcore，也就是Auto对于你的CPU不一定最优，资深玩家完全可以试着调低Vcore来省电。绿色环保，利国利民，何乐而不为呢？
结论
CPU超频比较麻烦，首先要有个带k的CPU，升级你的散热设备（原先那个自带的风扇小身板完全不行）。然后推荐慢慢提高倍频，不稳定后增加电压，再次提高倍频，再次增加电压，直到你觉得满意、不能增高了、温度超高为止。调整BCLK还是留给资深玩家吧。