工程师们不努力的话，芯片的功耗早就赶上太阳

1967年11月9日，土星5号运载火箭（Saturn V）成功进行首飞，它是人类历史上使用过的自重最大的运载火箭，总推力达3408吨，可以将1艘标准排水量的051型导弹驱逐舰送入太空。

实际上，衡量土星5号有多生猛，除了推力这个指标外，还可以看发动机喷口的功耗密度。一般来说，火箭发动机喷口的功耗密度接近每平方厘米1000瓦。至于万人敬仰的太阳，其表面的功耗密度超过了1000瓦/平方厘米。

在人类科技世界中，还有一样小小的东西，在功耗密度上可以和上面的庞然大物掰掰手腕，它就是芯片。

英特尔第一款商用CPU 4004，是古董级产品，晶体管数量只有2250个，2000年出品的奔腾4处理器，工作频率增加到2.8万倍，晶体管数量增加到2.4万倍。如果晶体管大小不变，工作电压不变，4004版的奔腾4处理器的功耗将增加到天文数字般的6.72亿倍，功耗密度超过瓦/平方厘米，是太阳表面的近20倍。

intel 4004

这是理论测算的结果，现实中不可能发生，但芯片的功耗密度之大，上升之快绝非危言耸听，而是迫切的现实问题。

在2001年的国际固态电子电路会议上，专家们指出，处理器的功耗正以指数级的速度增长，如果这个趋势得不到遏制，到2005年时高速微处理器的功耗密度将赶上核反应堆，2010年与火箭发动机喷口不相上下，到2015年甚至可以与太阳表面的功耗密度并驾齐驱。

看起来核物理学家多年求而不得的人造太阳，有可能在芯片大厂手里实现了，这样想的话显然有违科学家的初衷，因为科学们其实是想向芯片行业提个醒，再不想办法解决芯片的功耗问题，南墙在等着你们的脑袋撞上来！

这堵“南墙”在芯片设计领域有个专有名称叫“功耗墙（Power Wall）”，是每一家芯片设计公司和芯片制造厂的必修课：要设计出高性能的芯片，就必须先解决飙涨的功耗问题。

现有的芯片大都是由CMOS（互补金属氧化物）逻辑电路构成，其功耗可以用一个公式粗略表达：

P∝CNV2f

公式中，C为负载电容，N为CPU中的晶体管数量，V为电源电压，f为工作频率。

不要被公式吓到，它概括后就是一句话：降低晶体管尺寸（负载电容减小）、减少晶体管数量、降低电压和工作频率，只要满足其中任何一项，CPU的功耗就会降低。

由于晶体管数量直接关系到CPU的性能和功能（苹果A12 X和A12芯片，麒麟990 5G和麒麟990E的内部架构完全相同，性能差距主要体现在晶体管数量多少），摩尔定律说白了就是堆晶体管的数量，因此每一代芯片的晶体管数量只增不减，这也意味着降功耗就别打晶体管数量的主意了（产品档次区分除外）。

芯片工作频率也和性能相关，DIY时代，电脑超频发烧友最喜欢压榨CPU潜能，压榨的其实就是工作频率，所以也很少有芯片设计商和它过不去。

现在掰着手指头都能算清，工程师们要降低芯片的功耗，有两条路可走。第一条路是减小晶体管尺寸，这是ASML和台积电们的职责，制造分辨率更高的光刻机，把工艺制程从微米级一点点演进到纳米级，就是为了把晶体管做得小一点，降低负载电容，从而降低功耗。

通过海量烧钱，工程师已经把晶体管的尺寸做得极其微小，目前量产的A14芯片和麒麟9000芯片，晶体管的栅长为5nm，仅为已知最小的动物病毒猪圆环病毒直径的1/3左右，而在1995年，晶体管的栅长还只能做到350nm。也就是说，今天的芯片仅仅因为尺寸缩小，导致功耗仅有25年前的1/20左右。

第二条路是让芯片这匹“马儿”吃得少一点，即降低芯片的电源电压。这条路由于没有昂贵的光刻机和海量烧钱的生产线做广告博取眼球，很少有人知道。

降低电压有个最大的好处就是主要烧智力，而且相比做小晶体管尺寸的节能效果，更为生猛。根据上面的公式可以知道，电源电压和芯片能耗呈平方关系，也就是说电压每降低到原来的1/2，能量消耗就减少到原来的1/4，这种指数级的关系，搞好了是相当惊人的。

2011年9月16日，芯片大户英特尔公布了一款邮票大小的CPU，开发代号Claremont，它的特别之处就是“吃”的特别少，低负载时耗电量仅为10毫瓦，要知道现在手机SoC芯片中一颗CPU大核满载时，功耗就有1瓦，是Claremont的100倍。英特尔没有说明Claremont的电压是多少，但应该比手机CPU内核低得多，估计在1/10左右。

文章来源：《中国表面工程》 网址: http://www.zgbmgc.cn/zonghexinwen/2020/1106/350.html