CPU 是將電能轉化為什麼能進行計算的？

知識 07-05

【Sean的回答(1083票)】:

這個問題仔細想想還是挺有意思的。

樓上虞前輩說『CPU不希望轉化能量』是很正確的，但即使理論上，CPU也做不到不消耗任何能量的。

>的工作本質上是對信息進行處理，而信息是可以用熵（entropy）來衡量的。可以想像一下，在一個一片混沌的系統中，你控制了一個bit，把它設定為了0或者1，那麼這個時候這個系統的就不再像原來那樣完全無序了，這是一個熵減的過程。同理，當你用CPU進行計算的時候，把一些無序的信息轉化為有序的信息，這其中真正有效的部分不是轉化為什麼能了，而是——變成熵減了！

那麼我們改變 1 bit 需要的能量是多少呢？根據蘭道爾原理（Landauer s principle），室溫下，改變 1 bit 最少需要 2.75zJ（2.75x10^-21）的能量。而以人類現在的技術製造出來的CPU，每個operation 基本都在幾十甚至幾百 pJ（10^-12），差了大概 9個量級！也就是說，現在的CPU消耗的能量，絕大多數都是無用功！

從這個角度來看，現在的CPU確實弱爆了。

但和理論不同的是，現實世界中，信息是要通過『介質』來呈遞的，而在我們現有的技術下，這個『介質』就是電，實現的方式就是用半導體集成電路。我們通過電位的高低來表示這是一個 1 還是一個 0。那麼維持這個電位，改變這個電位，都需要克服半導體的物理屬性；想把這個電信號傳遞傳遞出去，就不能忽略電子在導體流動的過程中由於電阻產生的消耗；也正是因為有電阻，電流流過會發熱，為了防止過熱對半導體的屬性造成不利影響，又需要引入散熱機制，比如用風扇散熱等等——把這些能量都加起來，自然會遠遠大於改變熵的那點能量了。

其實綜觀整個計算機的發展史，從機械計算機，到電子管計算機，到現在的半導體計算機，再到未來可能的超導計算機、量子計算機，人類一直在試圖減小信息介質的能量消耗，從而造出更高效，更快速的計算機。至於說摩爾定律走到盡頭，本質上也是一回事兒——在現有的半導體技術下對信息介質的性能已經快壓榨到極限了。

所以關於下一代計算機會是怎樣的這個問題，計算機科學家是回答不了的，還要看>家們怎麼說。（甩鍋成功（逃

【李遙的回答(5票)】:

電能消耗在數字電路的電位狀態維持和轉換上。所謂「計算」是人為對狀態轉換的解讀

【孟夢的回答(10票)】:

大部分轉換成熱能，小部分轉換成電磁波輻射。

【虞己某的回答(114票)】:

cpu不希望轉化能量，cpu希望成為能量的搬運工。

理想狀態下，我們不想浪費任何能量，我們希望把能量傳來傳去。這個register的電量達到threshold，它是1，不達到就是0。理論上我們只想通過一些開關來控制電流電壓來達到運算。但是這些全部都會發熱，全部有能量消耗。如果你想問cpu把電能消耗成什麼能量了，那主要就是內能了(過熱導至什麼東西氧化了，你可以理解為轉化為化學能)。如果你想問是什麼能量進行計算，你可以理解為電能。大概是這樣的：在 ntype 與ptype半導體之間有個能量的鴻溝，一般電子過不去，像斷開的電路。加電壓讓電子能跳過去，產生電流。

【清月的回答(16票)】:

所謂計算，無非是把一串變化的高低電勢變成另一串電勢。

數字電路是依靠控制一系列開關達到這個目的。

這些開關是依靠改變電子的注入來達成開或者關。一般來說說不動他就是關，額外加個電勢就是開。

所以是用另外一組電勢來控制第一組電勢。第一組電勢是數據，第二組電勢是指令。

去除掉信息熵啊，高低頻電阻啊，原子擴散啊，表面氧化啊這些。剩下的無非是指令這組電勢控制了開關里電子的遷移。

信息本身並不是能量。cpu只不過把電能用在搬動電子。而電子們來來回回，最終依然不能改變自己的命運，只是徒勞地發熱而已。然而就是這來來回回，改變了信息的面貌。

【婆羅脈修士的回答(4票)】:

本質來說cpu 運算是一直改變半導體電路的狀態，比如高電平和低電平。而維持狀態本身需要的能量很少，甚至可以忽略，因為不是電壓為零就是電流為零。但是狀態轉換的過程中由於有電壓和電流的交疊區域，因此有損耗，即轉換為了熱能。高頻工作過程中也有部分以電磁波的形式輻射掉。於是出現了發熱和電磁干擾。這些是副作用。通過改變電壓，改變半導體材料，改良溝槽結構，減少轉檯切換頻率和邊沿斜率等，是可以有效減少發熱和輻射的，這也是進步的目標。

【將子牙的回答(2票)】:

@wyf的回答比喻的不是很好，我改了一下

比如你要拜訪小明（計算），走路去他家（為CPU加電）敲了門，於是你消耗了走路的能量和敲門所需的能量（CPU產生的廢熱，電磁波），但是這些能量與你拜訪小明沒有什麼必然的因果關係，只要你有錢，小明也有錢（計算機科學發展到夠高）你可以選擇開車，小明家的門也可以是感應門，你就不用花費走路和敲門的能量（即由於發熱消耗的能量。至於電磁波輻射。。這個還有點遠）（現階段來看超導電路是一條比較好的路）

【EricSeo的回答(43票)】:

原來你們都沒有答對……

CPU由邏輯門構成。電源、CPU及外圍電路讓系統運行起來。

電能用於控制邏輯門工作，最終轉化為熱能(等效電阻消耗)和電磁輻射而已。

是的！

僅！此！而！已！

而由電能控制的邏輯門輸出高電平和低電平，被人為的定義為1和0。大量的邏輯門構成人思維中運算的邏輯，加、減、乘、除、取余、取反、異或、同或等等操作。

而計算屬於邏輯體系，而邏輯在人的認知系統中才存在意義，因此這部分並不存在消耗能量一說！

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說白了，請看CPU和人類的對話——

邏輯門(CPU)：「我只負責利用電能(包括時鐘)控制輸出高低電平(0/1)，而這些電平到底代表什麼，who cares？」

人類：「…… We care！！！」