20、计算机计算中的物理层面：能耗与优化策略

计算机计算中的物理层面：能耗与优化策略

1. 计算技术的发展与限制

在计算技术发展进程中，曾经存在类似声障的限制，要实现超声速飞行，飞机设计几乎要从头开始。而对于硅基计算机，目前尚未发现类似的根本性尺寸限制。当前先进设备的 RC 值已达到 10 皮秒，这相较于过去有了巨大提升，例如费曼授课时该值约为 4 纳秒，体现了超大规模集成电路（VLSI）技术的飞速发展。然而，当你努力降低某个指标时，可能会发现其他技术已超越你，超导计算设备就是如此，随着传统 VLSI 技术的进步，其优势逐渐消失。

2. 计算机的能耗与散热问题

计算机中晶体管的能耗和散热是重要问题。典型晶体管每次开关会耗散约 (10^8kT) 的热量，若能将此数值降低 10 到 100 倍，就能大幅简化计算机的散热系统，减少风扇的使用。nMOS 技术存在一个恼人的问题，即便在 MOSFET 稳定状态下（如 (X = 1)，(Y = 0) 时），晶体管仅维持该值而不改变，电流仍会持续流动，造成不必要的功耗。因此，探索更节能的技术具有重要意义，互补金属氧化物半导体（CMOS）技术就是这样一种值得研究的技术。

3. CMOS 反相器

3.1 CMOS 反相器的结构与原理

CMOS 电路采用 n 型和 p 型 MOSFET 的组合。标准 CMOS 反相器中，逻辑 1 接近 (+V)，逻辑 0 可选择为 (-V)。当输入 (X) 为正时，n 型 MOSFET 导通，p 型器件反向偏置不导通，输出 (Y) 被拉低到 (-V)；当 (X) 变为 0 时，上晶体管导通，下晶体管不导通，(Y) 电压上升到电源电压。该电路的一个显著特点是，状态转换后电路中几乎无电流流动（严