CPU 違反能量守恆定律嗎？

01-16

CPU運算能力越來越強能耗卻越來越小，是CPU違反能量守恆定律還是人類對數據運算效率的利用率十分低下？

理論上完成1bit數據的處理只需要ln2*kT的能量，k是波爾茲曼常量，T是溫度。這個值非常非常非常小，室溫300K下大約只有2.87E-21J，算下來每秒1T次雙精度浮點操作也只有1.84E-7W的功率。不是現代CPU違反了什麼自然規律，而是之前的CPU效率太差。

你真以為處理器消耗的能源主要用來運算嗎？

ps3的初代機子功耗280瓦，後面下降到130，處理器發熱才是關鍵

update1:

新的頂樓出現了，我這個門外漢可以停止班門弄斧了！其實我只是個噴子；）

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CPU沒有違反能量守恆，信息怎麼可能白白產生呢？但因為信息的產生所需要的能量非常小，產生1 bit信息只需要1普朗克單位的能量，這點消耗難以察覺。目前絕大多數的能量消耗還是用於發熱，等到了量子計算時代或許能逼近能量利用極限吧？

但就因如此，哪怕人類能做出所謂超導之類的完美CPU，也不可能模擬出比現實世界更複雜的宇宙。

因此得票第一的答案自然就被反駁了：其實絕對理想狀態的CPU還是會消耗能量的。

下面為題主洗地：

題主關心的是能量是否守恆，一群糊塗蛋都在那邊解釋為什麼CPU會發熱，只顧著秀專業知識回答不到點子！不然就是上綱上線跟題主扯知乎倫理，莫名其妙顧左右而言他，還有不少口出狂言的，我也學一下：看到那麼多無知的人在噴題主，我一直覺得如果答題的人不動腦子，題問題的人說的再好再對也是個屁。

電燈泡的亮度沒有降低能耗卻越來越小，是電燈泡違反能量守恆定律還是人類對電能轉化光能利用率十分低下？

電冰箱的功能沒有降低能耗卻越來越小，是電冰箱違反能量守恆定律還是人類對電能轉化熱能利用率十分低下？

汽車的性能沒有降低油耗卻越來越小，是汽車違反能量守恆定律還是人類對熱能轉化動能能利用率十分低下？

運動員成績越來越好吃的飯量缺基本差不多，是運動員違反能量守恆定律還是人類對生物能轉化動能的利用率十分低下？

……

CPU以及所有的晶元的功耗是由製造工藝決定的，工藝越先進功耗越低。並沒有違反能量守恆定律。

晶元製造工藝以特徵尺寸（半導體器件的最小尺度）為主要標準，現在市場上大部分手機晶元使用的是28nm及以下工藝，機頂盒晶元使用40nm或65nm工藝的較多。不同晶元根據需求的不同還會有不同的常見特徵尺寸，在這裡不列舉了。28nm是什麼概念呢？大概是單晶硅的硅原子排三十幾個的樣子（估算，非確數）。

當特徵尺寸降低，單位面積能容納的器件數目會上升，意味著我們能夠進行運算的單元變多了。相當於單位面積的樓盤蓋大戶型和小戶型的區別。

由於特徵尺寸降低，因此溝道變短，器件工作速度也會提高，相當於以前電荷要做100米衝刺，現在做50米衝刺，因此計算速度會提高。

由於特徵尺寸的降低，柵氧層變薄，因此器件的開啟電壓變低。相當於減肥成功以後很容易就被帥哥搭訕啦。

以上三點，綜合來說，就是單位面積內運算單元增加，運算速度提高，運算電壓降低（電流降低），所以看起來CPU算得越快能耗越低。但它們只是工藝變得先進以後同時產生的現象，跟能量不守衡沒有任何關係！

（手機碼，不夠全面，歡迎指正！）

有一種器件叫做單電子隧穿器件，理論上功耗比CMOS器件低幾萬倍，如果真的可以投入實際使用的話，估計一個五號電池都可以讓CPU跑上好幾年了。

這種器件是我覺得人類現在能達到的最節能的數據處理方式，現在的CPU離這個水平還遠著呢。

目前這種器件還處於實驗室階段，可以把它想像成一個特徵尺寸只有1nm的cpu

絕對理想的CPU不需要能耗。CPU里的所謂的「計算」和「信息」只是人類對不同電位的一種解讀。如果是純粹的理想器件的話，計算電路本身並不需要消耗任何能量。現實里的CPU的能耗絕大部分都是被轉化成熱量浪費了。CPU周邊的模擬電路，PLL，I/O一類的，可能是CPU里唯一需要真正消耗能量的部分，但他們需要的能量應該相當小。

建議題主認真了解一下熵和三大熱力學定律

我現在的cpu除了可以處理數據，我感覺上面放個杯子還能順便煮茶葉蛋。。什麼時候可以把這個附加功能去掉了，估計能耗就下來了

摸CPU溫度就知道了

你們都說的很對，也說的很好，但我還是來回答一下：

假設宅男你把家裡搞得亂糟糟的，需要用些手段來收拾乾淨整潔——而早有一個前輩已經在你家裡布置好了居家整理系統（當成一個機器人管家也行），當然是需要些電。

從你的視角：混亂的家——整潔的家（熵減）

從整理系統的視角：電能——維持系統運轉

其他不可避免的損耗如系統散熱，線路干擾等都是附帶產品；

整個過程實現了熵減，也消耗了能量

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這也就是cup運行的過程：

你的視角：亂比特——有意義的比特

cpu視角：電能——維持邏輯電路運轉

由於系統運行效率不高，其他不可避免的損耗佔了絕大多數；

整個過程實現了熵減，也消耗了能量

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還不明白？

再舉個栗子，就是你使用珠算的過程：

你的視角：待解數字——有意義的數字

算盤的視角：機械能——維持系統運轉

整個過程實現了熵減，也消耗了能量

晶元功耗P∝C×f×V^2，可以看出頻率f雖然上升了，但如果電壓V下降仍然可以大幅降低功耗，因為電壓是平方的關係。現在，很多低電壓cpu就是這個道理。與此同時，由於半導體工藝的進步，mos管的泄漏電流大幅下降，降低了無用功耗，CPU效率大大增加。

有誰跟我是來看熱鬧的完全不懂