CPU 是将电能转化为什么能进行计算的? | 知乎精选
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CPU 是将电能转化为什么能进行计算的? | 知乎精选
【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。
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（），室温下，改变 1 bit 最少需要 2.75
（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)】:
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。
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)：“……”
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