CPU的所有功耗都去哪儿了?PC 的 CPU 消耗的所有功率是否都转化为热量?还是它会转化为一部分热量和一部分其他种类的能量?
CPU消耗的所有功率都到哪里去了?
在 CPU 中都是热量。消耗能量的是从 0 到 1 的变化(这最终是计算机所做的),因为电荷必须从一个地方移动到另一个地方,而正是这个电流(移动的电荷)通过电阻产生热量。\$P = I^2 \times R\$
理想情况下,不执行任何任务的计算机不会消耗能量,但总是存在微小的电荷泄漏,并且在像奔腾这样的 10 亿晶体管处理器中,小泄漏的组合仍然会导致大量功率损失。
通过其 VCC 和 GND 引脚发送到几乎(*)任何基于 CMOS 的 CPU 的电力会流向 3 个位置:
电能通过其输出引脚离开 CPU,以驱动外部设备的“实际功率”要求。LED、LED 镇流电阻器、传输线、传输线偏置电阻器、传输线终端电阻器等都是示例。这些外部设备永远不会 100% 有效,因此部分或通常大部分功率会转化为热量,从而使这些外部设备变得更热。(大量电流流过 I/O 焊盘环中的晶体管,但这些晶体管上的电压相对较小)。在驱动大量 LED 的低功率 CPU 中,这通常是功率的最大部分。
电能在 I/O 焊盘环驱动(充电和放电)外部电容的晶体管中转换为热量。PCB 走线的寄生电容、RAM 和其他 CMOS 芯片的输入引脚的小栅极电容、大分立 FET 的大栅极电容等都是这种外部电容的例子。在每个充电/放电循环中,临时存储在该电容中的所有能量都以热量的形式消散在 CPU 的 I/O 焊盘晶体管的通道中。(在那个周期内,电力去向的即时细节更加复杂)。
(同样,CPU 的输入引脚通常由某个外部芯片的 I/O 焊盘环中的晶体管驱动。在每个充电/放电周期中,所有暂时存储在 CPU 内部电容中的能量都以热量的形式消散在该外部芯片的 I/O 焊盘晶体管的通道。换句话说,没有净功率通过 CPU 的输入引脚进入或退出)。
电能在内部核心晶体管中转换为热量,驱动(充电和放电)其他内部晶体管的栅极电容。同样,在每个充电/放电循环中,临时存储在该电容中的所有能量都以热量的形式消散在内部核心晶体管的通道中。这是高功率台式机 CPU 中功率的最大部分。
(*) 一些研究人员已经构建了能量回收逻辑设备(包括 Tick、FlatTop 和 Pendulum CPU),它们不会将暂时存储在内部和外部电容中的所有能量作为热量消散,而是将大部分能量返回到电源。