為什麼計算機晶元大都採用低電壓大電流的供電方案？

有些CPU或者GPU的功率高達四五百瓦，但是電壓卻只有一點幾伏，而電流卻有好幾百安培，這樣的供電方案有什麼優勢呢？為什麼手機供電都是5V或者9V左右，而電流一般只有1-2A，手機和電腦供電有什麼區別？

謝邀。採取低電壓是為了降低功耗。題主說的5V和9V是供電電壓，和電腦電源供給主板的12V、5V等等是一個意思，並不是CPU或者GPU的核心電壓，CPU和GPU的核心電壓只有1V多。手機CPU/GPU和電腦的區別是功耗低，在供電電壓方面區別不大。要理解低電壓帶來低功耗，我們要從原理上來了解。

為什麼CPU會發熱

從含有1億4000萬個場效應晶體管FET的奔騰4到高達80多億的Kabylake，Intel忠實的按照摩爾定律增加著晶體管的數目。這麼多個FET隨著每一次的翻轉都在消耗者能量。一個FET的簡單示意圖如下：

當輸入低電平時，CL被充電，我們假設a焦耳的電能被儲存在電容中。而當輸入變成高電平後，這些電能則被釋放，a焦耳的能量被釋放了出來。因為CL很小，這個a也十分的小，幾乎可以忽略不計。但如果我們以1GHz頻率翻轉這個FET，則能量消耗就是a × 10^9，這就不能忽略了，再加上CPU中有幾十億個FET，消耗的能量變得相當可觀。

耗能和功率的關係

從圖示中，也許你可以直觀的看出，能耗和頻率是正相關的。這個理解很正確，實際上能耗和頻率成線性相關。能耗關係公示是(參考資料2)：

P代表能耗。C可以簡單看作一個常數，它由製程等因素決定，製程越小，C越小；V代表電壓，和P是二次方的關係；而f就是頻率了。理想情況，提高一倍頻率，則能耗提高一倍。

通俗的來講，CPU可以看作由幾十億到上百億個小開關組成的。開關切換的速度f決定了計算機的性能。為了高性能，必須提高開關速度f，這才是大家關心的。而V則因為省電的原因越小越好。那為什麼不把v定成很低很低不到1V呢？

我們這裡要引入門延遲（Gate Delay）的概念。簡單來說，組成CPU的FET充放電需要一定時間，這個時間就是門延遲。只有在充放電完成後採樣才能保證信號的完整性。而這個充放電時間和電壓負相關，即電壓高，則充放電時間就短。也和製程正相關，即製程越小，充放電時間就短。讓我們去除製程的干擾因素，當我們不斷提高頻率f後，過了某個節點，太快的翻轉會造成門延遲跟不上，從而影響數字信號的完整性，從而造成錯誤。這也是為什麼超頻到某個階段會不穩定，隨機出錯的原因。那麼怎麼辦呢？聰明的你也許想到了超頻中常用的辦法：加壓。對了，可以通過提高電壓來減小門延遲，讓系統重新穩定下來。

也就是說，為了省電，要降低V，但為了達到數G的主頻，而不得不提高電壓V到一個可以接受的最小值，達到一個平衡。Vcore現在約1V。

不可忽視的其他因素

現實情況比這個更複雜。實際上，上面公式里的P只是動態能耗。CPU的整體功耗還包括短路功耗和漏電功耗：

短路功耗是在FET翻轉時，有個極短時間會有電子直接跑掉。它和電壓、頻率正相關。

漏電功耗是電子穿透MOSFET的泄漏情況，它和製程與溫度有關。

綜合這些，我們看一個實際的例子：

這裡的Transition Power就是動態能耗，可以看出它隨著頻率陡峭上升；短路功耗和頻率幾乎呈現線性關係；而Static power就是指漏電功耗，它也上升是因為頻率上升導致溫度上升，從而漏電加重。

從中我們可以看出短路功耗也和電壓有關，而電壓越低，短路功耗也越低。

結論

不但CPU/GPU低電壓可以省電，內存低電壓也可以省電，如DDR3L等等。低電壓DDR一般用於筆記本等功耗敏感的地方，但如本文所述，也一定會對性能有所影響。

參考資料：

[1] https://www.comsol.com/blogs/havent-cpu-clock-speeds-increased-last-years/

[2] CPU power dissipation

1. 降低電壓是目前集成電路裡面非常常用也是非常有效的節能手段，而且降低電壓同時也要配套相應的工藝，而且越先進的工藝，一般電壓要求也比較低，所以現在的CPU和gpu電壓都比較低。

2. CPU或者gpu上百安的電流不是一個Vcc提供的，其實你看一下CPU或者gpu的引腳功能圖，會發現大多數引腳都是用來供電的，所以幾百個引腳平攤下來上百安的電流也不算太誇張。

3. 你說的5v 是手機電池的充電電壓，實際電池的電壓可能在3.7v到4v之間，電池經過穩壓電路調節後輸入給CPU的電壓可能在1.3v到1.5v左右波動（根據CPU的使用情況進行睿頻）。

你說的手機電流小是因為手機的soc晶元不可能像PC對功耗相對比較開放，所以他設計的時候限制於手機電池的瓶頸，和手機散熱的瓶頸，只能有拿幾瓦的功耗。

所以說電池電壓和實際器件所需要電壓沒啥關係，即使你用20v的電池給手機當電源只要手機的穩壓電路吃得消依然可以。

CMOS總功率公式好像是

P=Dynamic Power+Short Circuit Power+Leakage Power

現在主要關注佔比90%的Dynamic Power，

造成Dynamic Power的原因是寄生負載電容的充放電，計算公式如下：

在製造工藝一定的情況下， 可以看出是一個常數，具體不展開。

由此可見功率只和 與 有關

在製造工藝一定的情況下，如果想降低功率，就要降低頻率和電壓

但這裡 是一個二次方項，所以降低電壓的效果最為顯著

但降低電壓之後又會導致噪音餘量的壓縮，這個需要相當謹慎的調整

感謝評論區老師們給的指正。部分內容已更新

cpu並不是像電爐子那樣按照電流乘電壓去刻意設計功率。電腦cpu這麼設計也是沒辦法。cpu工作過程是通過內部很多開關（fet管）在不停開關開關切換來實現邏輯運算和存儲，這個實際上是要對內部的電容（fet管的寄生電容）充電放電來實現。根據電容的公式I=C*dU/dt，充放電頻率越高，電容值越大，工作電壓越高，那麼工作電流就會越大。不損失速度的前提下，我們要降低功耗的話，只能通過降低電容量和降電壓來實現。然而這個電容和工作電壓也是有下限的，不能太小，否則信號太弱，會造成不穩定。現在的處理器裡面上億的晶體管，上GHz的工作頻率，電流即使在電壓降這麼低的情況下也是非常驚人的。

手機cpu是5-9v？你特么是想笑死我吧

建議題主下載個內核調教看看自己手機到底運行在什麼電壓上（也建議題主作死改參數到5000mv然後手機boom）