未必孤独网 > CPU 是将电能转化为什么能进行计算的?

CPU 是将电能转化为什么能进行计算的?

【Sean的回答(1083票)】:

这个问题仔细想想还是挺有意思的。

楼上虞前辈说『CPU不希望转化能量』是很正确的,但即使理论上,CPU也做不到不消耗任何能量的。

计算机的工作本质上是对信息进行处理,而信息是可以用熵(entropy)来衡量的。可以想象一下,在一个一片混沌的系统中,你控制了一个bit,把它设定为了0或者1,那么这个时候这个系统的就不再像原来那样完全无序了,这是一个熵减的过程。同理,当你用CPU进行计算的时候,把一些无序的信息转化为有序的信息,这其中真正有效的部分不是转化为什么能了,而是——变成熵减了!

那么我们改变 1 bit 需要的能量是多少呢?根据兰道尔原理(Landauer's principle),室温下,改变 1 bit 最少需要 2.75 zJ (2.75x10^-21)的能量。而以人类现在的技术制造出来的CPU,每个operation 基本都在几十甚至几百 pJ(10^-12),差了大概 9个量级!也就是说,现在的CPU消耗的能量,绝大多数都是无用功!

从这个角度来看,现在的CPU确实弱爆了。

但和理论不同的是,现实世界中,信息是要通过『介质』来呈递的,而在我们现有的技术下,这个『介质』就是电,实现的方式就是用半导体集成电路。我们通过电位的高低来表示这是一个 1 还是一个 0。那么维持这个电位,改变这个电位,都需要克服半导体的物理属性; 想把这个电信号传递传递出去,就不能忽略电子在导体流动的过程中由于电阻产生的消耗;也正是因为有电阻,电流流过会发热,为了防止过热对半导体的属性造成不利影响,又需要引入散热机制,比如用风扇散热等等——把这些能量都加起来,自然会远远大于改变熵的那点能量了。

其实综观整个计算机的发展史,从机械计算机,到电子管计算机,到现在的半导体计算机,再到未来可能的超导计算机、量子计算机,人类一直在试图减小信息介质的能量消耗,从而造出更高效,更快速的计算机。至于说摩尔定律走到尽头,本质上也是一回事儿——在现有的半导体技术下对信息介质的性能已经快压榨到极限了。

所以关于下一代计算机会是怎样的这个问题,计算机科学家是回答不了的,还要看物理学家们怎么说。 (甩锅成功(逃

【李遥的回答(5票)】:

电能消耗在数字电路的电位状态维持和转换上。所谓“计算”是人为对状态转换的解读

【孟梦的回答(10票)】:

大部分转换成热能,小部分转换成电磁波辐射。

【虞己某的回答(114票)】:

cpu不希望转化能量,cpu希望成为能量的搬运工。

理想状态下,我们不想浪费任何能量,我们希望把能量传来传去。这个register的电量达到threshold,它是1,不达到就是0。理论上我们只想通过一些开关来控制电流电压来达到运算。但是这些全部都会发热,全部有能量消耗。如果你想问cpu把电能消耗成什么能量了,那主要就是内能了(过热导至什么东西氧化了,你可以理解为转化为化学能)。如果你想问是什么能量进行计算,你可以理解为电能。大概是这样的:在 ntype 与ptype半导体之间有个能量的鸿沟,一般电子过不去,像断开的电路。加电压让电子能跳过去,产生电流。

【清月的回答(16票)】:

所谓计算,无非是把一串变化的高低电势变成另一串电势。

数字电路是依靠控制一系列开关达到这个目的。

这些开关是依靠改变电子的注入来达成开或者关。一般来说说不动他就是关,额外加个电势就是开。

所以是用另外一组电势来控制第一组电势。第一组电势是数据,第二组电势是指令。

去除掉信息熵啊,高低频电阻啊,原子扩散啊,表面氧化啊这些。剩下的无非是指令这组电势控制了开关里电子的迁移。

信息本身并不是能量。cpu只不过把电能用在搬动电子。而电子们来来回回,最终依然不能改变自己的命运,只是徒劳地发热而已。然而就是这来来回回,改变了信息的面貌。

【婆罗脉修士的回答(4票)】:

本质来说cpu 运算是一直改变半导体电路的状态,比如高电平和低电平。而维持状态本身需要的能量很少,甚至可以忽略,因为不是电压为零就是电流为零。但是状态转换的过程中由于有电压和电流的交叠区域,因此有损耗,即转换为了热能。高频工作过程中也有部分以电磁波的形式辐射掉。于是出现了发热和电磁干扰。这些是副作用。通过改变电压,改变半导体材料,改良沟槽结构,减少转台切换频率和边沿斜率等,是可以有效减少发热和辐射的,这也是进步的目标。

【将子牙的回答(2票)】:

@wyf的回答比喻的不是很好 ,我改了一下

比如你要拜访小明(计算),走路去他家(为CPU加电)敲了门,于是你消耗了走路的能量和敲门所需的能量(CPU产生的废热,电磁波),但是这些能量与你拜访小明没有什么必然的因果关系,只要你有钱,小明也有钱(计算机科学发展到够高)你可以选择开车,小明家的门也可以是感应门,你就不用花费走路和敲门的能量(即由于发热消耗的能量。至于电磁波辐射。。这个还有点远)(现阶段来看超导电路是一条比较好的路)

【EricSeo的回答(43票)】:

原来你们都没有答对……

CPU由逻辑门构成。电源、CPU及外围电路让系统运行起来。

电能用于控制逻辑门工作,最终转化为热能(等效电阻消耗)和电磁辐射而已。

是的!

仅!此!而!已!

而由电能控制的逻辑门输出 高电平 和 低电平,被人为的定义为1和0。大量的逻辑门构成人思维中运算的逻辑,加、减、乘、除、取余、取反、异或、同或等等操作。

而计算属于逻辑体系,而逻辑在人的认知系统中才存在意义,因此这部分并不存在消耗能量一说!

——————————————

说白了,请看CPU和人类的对话——

逻辑门(CPU):“我只负责利用电能(包括时钟)控制输出高低电平(0/1),而这些电平到底代表什么,who cares?”

人类:“…… We care!!!”

逻辑门(CPU):“so?”

人类(吐血):“……”

新闻聚焦
热门推荐
  • 低俗靡乱!喜宴竟充斥惊艳脱衣舞表演

    中新网12月7日电 据台湾《联合报》报道,桃园县内喜宴、庙会、社团、晚会充斥钢管、清凉秀、脱衣舞,县议员舒翠玲以自己参加的场合为证,当场看见辣妹和客人磨蹭,甚至指导单位是“桃园县政府”、“公所”的活动也如......

    01-13 来源:未知

    分享
  • 《我是特种兵之霹雳火》崔华盾扮演者张进个人资料及照

    《我是特种兵之霹雳火》崔华盾扮演者 本篇电视资讯由未必孤独网(www.vbgudu.com)独家整理,如有转载请注明出处。 曾经同是“特警小虎队”一员的李飞和张进这次将重新在《霹雳火》中集结,并且再度并肩作战。 由李......

    01-13 来源:未知

    分享
  • 郎永淳老婆吴萍患肿瘤赴美疗养 郎永淳近况

    郎永淳温馨全家福 央视新闻主播郎永淳虽然在电视上天天与观众见面,因播报新闻成了公众人物,并拥有了很多的粉丝。但生活中的郎永淳却十分很低调,不仅从未谈及过自己的私生活,就连他的另一半及孩子也未被曝光过。......

    01-13 来源:未知

    分享
  • 《我是特种兵之霹雳火》王星扮演者李飞个人资料及照片

    《我是特种兵之霹雳火》王星扮演者李飞 本篇电视资讯由未必孤独网(www.vbgudu.com)独家整理,如有转载请注明出处。 《我是特种兵之霹雳火》作为刘猛导演特种兵系列的第四部作品,自筹划以来就备受网友关注。承继着......

    01-13 来源:未知

    分享
  • 梦鸽:为孩子做什么都不为过 李案会造成世界影响

    梦鸽(资料图) 李某某等涉嫌强奸案从2月份发酵至今,持续半年,热度不减。作为被告李某某的监护人,梦鸽放下红色明星、部队歌唱家的尊严,发布声明、反诉、上访,走进长枪短炮的包围圈,代替独子站在第一线。 为了......

    01-13 来源:未知

    分享
  • 雷!彪悍美女竟在大街上做超不雅动作

    ......

    01-13 来源:未知

    分享
  • 孙俪微博拍卖老公邓超的爱裤,邓超与孙俪感情好不好

    今天我们来盘点一下娱乐圈的模范夫妻。孙俪和邓超是娱乐圈有名的模范夫妻,两人相爱至今都没有穿过其他的绯闻,而在邓超走向逗比之路的过程中,娘娘孙俪也开始受到影响,近日邓超在网上晒了一张与孙俪的另类合影,网......

    01-12 来源:

    分享
  • 巩俐与孙红雷谈过恋爱吗?巩俐孙红雷主演的电影是哪部

    从绯闻女友巩俐、左小青,到王骏迪,孙红雷绯闻伴随走红。在《窈窕绅士》发布会上,孙红雷大晒幸福,并直言,“我现在还不会和女友公开亮相,以免被人说我在炒作。”被问及是否有意结婚,他说,“谈婚论嫁对我来说不......

    01-12 来源:

    分享
  • 曝盛一伦喜欢骂人成瘾,盛一伦同性恋是真的吗?

    子妃升职记不仅火啦张天爱,也让男主盛一伦踏进拉娱乐圈。盛一伦被曝骂人成瘾 骂人聊天记录图片,近日,盛一伦将东家乐漾影视诉至法院,索片酬1051.5万元,朝阳法院已受理此案。12月12日,盛一伦发长文回应解约风波称......

    01-12 来源:

    分享
  • 北京学生卡坐地铁打折吗?北京现在有几条地铁?

    北京的物价使出拉名的贵,许多北漂为啦省钱想尽办法。近日,在北京部分地铁站周边,出现贩卖“”的卡贩子,100元就能办一张大,还送学生证。新京报记者探访发现,从卡贩子手中购得的,能顺利充值并可享受2.5折优惠。......

    01-12 来源:

    分享
返回列表