CPU和GPU為什么會(huì)發(fā)熱？

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能量轉(zhuǎn)化的根本原因：電能轉(zhuǎn)化為熱能
在CPU和GPU工作時(shí)，電子在芯片的復(fù)雜電路中不斷地流動(dòng)，以處理數(shù)據(jù)和執(zhí)行指令。芯片內(nèi)部的電路通過(guò)半導(dǎo)體晶體管組成，而晶體管在工作時(shí)需要電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)。

這一過(guò)程中的主要能量轉(zhuǎn)化如下：

電能 → 熱能：流經(jīng)晶體管的電子在通道內(nèi)遇到一定的電阻，電阻會(huì)導(dǎo)致電流通過(guò)時(shí)部分電能轉(zhuǎn)化為熱能。這種電能到熱能的轉(zhuǎn)化遵循焦耳定律，即電流經(jīng)過(guò)電阻時(shí)產(chǎn)生的熱量與電流的平方和電阻成正比。電子在晶體管中流動(dòng)時(shí)的撞擊和散射也會(huì)將電能以熱的形式散失。

動(dòng)態(tài)功耗：當(dāng)晶體管從開(kāi)狀態(tài)切換到關(guān)狀態(tài)（或反之）時(shí)，會(huì)消耗能量，稱(chēng)為開(kāi)關(guān)損耗。這個(gè)損耗會(huì)導(dǎo)致更多的電能轉(zhuǎn)化為熱能，這種開(kāi)關(guān)過(guò)程會(huì)頻繁發(fā)生，因此動(dòng)態(tài)功耗的熱量積累也很顯著。

漏電流功耗：現(xiàn)代芯片中的晶體管由于尺寸微小，即使不工作時(shí)也會(huì)出現(xiàn)少量電流“漏”出（即漏電流）。這些漏電流也會(huì)導(dǎo)致熱量的產(chǎn)生，尤其是在制程工藝不斷縮小的今天，漏電流的影響變得越來(lái)越明顯。

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CPU、GPU發(fā)熱的源頭：晶體管密度與頻率
高晶體管密度：現(xiàn)代CPU和GPU包含數(shù)十億甚至上百億個(gè)晶體管。這些晶體管在極小的面積上被密集地布置和運(yùn)行，增加了單位面積上的能量消耗。大量晶體管頻繁開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致大量熱能累積。

高時(shí)鐘頻率：CPU和GPU的時(shí)鐘頻率越高，意味著其處理信息的速度越快。頻率越高，每秒開(kāi)關(guān)的晶體管次數(shù)越多，隨之產(chǎn)生的熱量也會(huì)增加。這也是為什么當(dāng)我們給處理器超頻（提高時(shí)鐘頻率）時(shí)，芯片的溫度會(huì)迅速上升。
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其他原因：材料與制程對(duì)熱量的影響
材料特性：CPU和GPU主要由硅制成。雖然硅的導(dǎo)熱性還不錯(cuò)，但在極高頻率下運(yùn)行的情況下，它依然會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的熱量，這需要額外的冷卻。為了更高效地進(jìn)行散熱，芯片制造商不斷優(yōu)化材料，如使用銅替代鋁作為導(dǎo)線，使用新型導(dǎo)熱材料來(lái)降低熱阻。

制程縮�。盒酒�工藝的縮�。ū热鐝�14nm制程到7nm制程）雖然可以容納更多的晶體管，但卻導(dǎo)致每個(gè)晶體管的漏電流問(wèn)題更明顯。此外，制程縮小也加劇了散熱問(wèn)題，因?yàn)闊崃繒?huì)更加集中，不易擴(kuò)散。
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為什么GPU發(fā)熱更明顯？
相比CPU，GPU具有更多的并行處理單元，因此擁有更高的晶體管數(shù)量，且同時(shí)進(jìn)行大量運(yùn)算時(shí)，動(dòng)態(tài)功耗很高。尤其在圖形渲染和深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練時(shí)，GPU的負(fù)載比CPU更大，頻繁的并行計(jì)算帶來(lái)了巨大的熱量。
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熱是計(jì)算的“副產(chǎn)品”
CPU和GPU的熱量問(wèn)題不僅僅是工程上的挑戰(zhàn)，還引起了科學(xué)家和工程師對(duì)計(jì)算能耗的反思。有研究者提出，熱量可能是信息處理中不可避免的“副產(chǎn)品”。

從熱力學(xué)的角度來(lái)看，熵的增加是不可避免的，而計(jì)算則需要將數(shù)據(jù)從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài)，每次狀態(tài)轉(zhuǎn)換都會(huì)不可避免地產(chǎn)生能量損耗和熱量。

未來(lái)，為了解決CPU和GPU的熱量問(wèn)題，計(jì)算機(jī)科學(xué)家們?cè)谘芯苛孔佑?jì)算和光子計(jì)算等新型計(jì)算方式，這些方式有望在減少能量損耗和降低發(fā)熱量方面帶來(lái)革命性進(jìn)展。


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