工程师们不努力的话，芯片的功耗早就赶上太阳(2) - 中国表面工程杂志社投稿

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工程师们不努力的话，芯片的功耗早就赶上太阳(2)

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Claremont

正因为Claremont胃口超小，一块小小的太阳能电池就可以喂饱，十分好养，如果用到手机或笔记本电脑上，三天一充根本不算事。

不过英特尔也说了，Claremont这款处理器可能无法实现商用，但这项研究将被整合到今后的处理器和其他电路中。

为何英特尔不能量产Claremont处理器？一个重要的原因是，通过降低CPU电压来减少功耗的难度不小。

芯片中的CMOS晶体管在进行开关动作时，有一个“阈值电压”，简单说就是划分“开（对应1的状态）”与“关（对应0的状态）”界限的特定值，上面讲的降低CPU电压来节省能耗的方法，其实就是让电源电压降低到逼近“阈值电压”。打个形象的比方，“阈值电压”相当于马儿的“饱腹感”，马儿只有吃饱了，才会跑得欢，为了省饲料，过去吃十分饱，现在降到八分饱、七分饱，甚至六分饱，不断逼近“饱腹感”这条线。

不过，这个类比并不精确，因为CMOS晶体管的功耗由动态功耗和静态功耗组成，动态功耗是晶体管进行开关动作时产生的功耗，占整个功耗的80%，静态功耗是晶体管处于截止状态时，因为漏电产生的功耗，占整个功耗的20%。

静态功耗有个特点，一般随电源电压升高而降低，这就带来新的麻烦。工程师想办法降低电源电压，芯片的动态功耗降低了，但静态功耗又像跷跷板一样逐渐升高，当电源电压低于阈值电压时，动态功耗缓慢下降，静态功耗却呈指数级上升，使芯片的降耗变成赔本的买卖。

更为重要的是，随着电源电压的降低，晶体管的切换速度会越来越慢，当电源电压低于阈值电压时，晶体管的开关状态越来越不稳定，开始混乱，芯片性能暴降，最差能降低到原来的1/500。

想让马儿跑，又要让马儿少吃草，最后是马儿不愿意跑，所谓“世间不如意者，十之八九”。

怎么办？工程师把电源电压尽力降到阈值电压附近，使动态功耗的下降超过静态功耗的上升，同时晶体管的开关速度下降在可承受范围，简单说只要降低的功耗幅度大大超过性能降低的幅度，这笔买卖就划算了。

目光锐利的网友会问，电源电压降到阈值电压的那一刻，不就是芯片工程师黔驴技穷的时候吗？确实如此，到时随着晶体管数量的上升，芯片的能耗又将飙涨，去追赶火箭发动机喷口，赶超太阳表面。

不过工程师的办法还是有的，那就是采用新材料或新的晶体管结构。2007年，晶体管源极绝缘层的二氧化硅被high-k金属匣极替代，这种新材料的使用，使漏电量减少5倍，功耗也大幅降低。

目前，被认为最有可能打破现有功耗墙的赛道是碳基芯片，这条赛道上的选手有欧、美、中等国家和地区，只是现在还未到决出胜负的时候，不过胜负一旦决出，降维打击就会发生。

总之，当你刷手机时，你刷的其实是一个神奇的存在，因为没有芯片工程师不懈努力的话，你刷的将不是手机，而是“火箭发动机喷口”。

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