換個角度看電壓 顯卡電壓能耗平衡解析

1英雄or禍首？

 　　太平洋仍然「太平」，黃石公園的冬日也依舊寧靜，小行星同樣完全沒有光臨地球的意思……儘管這個世界的平靜讓某些居心叵測的人大失所望，但「世界末日」的確就這麼從我們身邊不聲不響的飄走了。伴隨著末日的遠去，我們在長出一口氣的同時似乎也可以安心撿起一些末日之前沒有做完的事了，比如說：您還記得末日那天我們一起進行的顯卡電壓與功耗的關係測試麼？

　　在上周的測試中，我們為您展現了同負載、同頻率的顯卡在不同電壓設置下所表現出的迥然不同的功耗情況。我們所選擇的測試遊戲及畫質設置沒有發生變化，測試場景也基本上遵循了精確可重複的原則，按理說只要頻率不變，這樣的測試過程應該不會帶來多少波瀾才對。但測試的結果卻有些出人意料，我們僅僅是調節了一下核心電壓參數，就讓都快參測顯卡在完全相同的負載和頻率下呈現出了甚至是相差接近40%的巨大功耗差距。

「上水」降溫這件事並不是所有人都會做出的主動選擇

　　其實，類似的測試結果每天都在DIY圈中不斷的重複著，更低電壓的晶片一直都是「節能控」們追求的目標，但電壓顯然又不僅僅只是帶來能耗的罪魁禍首那麼簡單。它對晶片究竟意味著什麼，是什麼因素導致了高功耗的出現，我們又該如何看待並儘可能降低電壓帶來的負面影響，這些問題的答案您了解麼？

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2頑劣精靈——電子的隧道效應

　　● 頑劣精靈——電子的隧道效應

　　半導體不同於常規導體，以我們日常所見的功耗=電壓X電流這樣簡單的公式來解釋半導體電壓同功耗的關係是不正確的。事實上，在頻率也就是開關動作次數不變的前提下，電壓最顯著影響並產生功耗的因素，是我們很熟悉卻又有些陌生的半導體晶片重要問題——漏電。而要明白漏電同電壓的關係，我們也許先要來一些關於量子力學的小小科普。

基本粒子在量子世界的圖景

　　量子力學是一個神奇的領域，在這個領域裡，「存在」和「位置」都不是實實在在的東西。比如說我們理解電子這玩意的時候，「它在哪裡」以及「絕緣體不會讓它通過」這兩個概念需要被首先拋棄。在量子力學的世界裡，只要電子的勢能達到一定的等級，它就會有概率從先前所在的地方消失，並且出現在任何它想出現的地方，即便面前橫著宏觀上看似不導電的絕緣物質也是一樣，所以宏觀上「絕緣體被破壞性擊穿前不導電」這種好像很絕對事，在量子世界裡就顯得沒那麼絕對了。電子在半導體晶片中經常會發生從靠近絕緣層內測的地方消失，然後出現在幾個到十幾個納米之外的絕緣層外測的現象，這一過程完全不會破壞絕緣層本身的結構，因為這樣的過程看上去就像是電子在絕緣體中打了一條可以讓自己通過的隧道一樣，所以被稱作隧道效應。

電子穿透絕緣體的隧道效應

　　隧道效應充分體現了量子世界的神奇，電子不再是實實在在的存在，它變成了一個古靈精怪的小精靈，可以淘氣的消失然後出現在我們意想不到的地方，這種效應對於許多應用領域都有著重要的作用和意義，但對於半導體工業而言，隧道效應卻讓電子變成了不折不扣的「頑童」。伴隨著隧道效應，電子可以從柵極內起絕緣作用的柵氧層內測跳脫到外側的矽基體內部，一旦來到這裡，電子的行為就不再受人們的控制，在矽基體中的穿行以及由此伴生的感生電流就形成了我們熟悉又痛恨的東西——漏電。

黃色區域即為絕緣但被擊穿的柵氧層

　　漏電問題是困擾著進入深亞微米屏障之後的半導體業界的最核心問題之一，它對晶片工作沒有任何意義，但卻又完全不可避免。當刻線寬度不斷下探之後，柵極下方的柵氧層的厚度/等效厚度（EOT）就會伴隨著整個柵極尺寸的縮減而不斷地變薄，這種厚度的減薄讓柵氧層對電子的容納能力快速的衰減下去。隧道效應是一個距離反比效應，距離越長發生的概率就越低。於是在工藝日漸精進的當下，電子變得比過去更容易完成從一側消失然後出現在另一側的過程，而這一過程的背後推手，就是電壓。

隧道效應概率問題的研究公式

　　上面這組看上去有些像「鬼畫符」的公式來自薛丁格方程的展開和推論，它描述了隧道效應發生的概率，其中的T便是這一概率的數值。我們無需理會難以理解的中間過程，只需要抓住其中對我們有用的重點即可——隧道效應發生的概率與電子勢能/絕緣體勢能之差成近似指數比例，而電子的勢能通常又正比於電壓，所以我們可以獲得這樣一個結論：電子發生隧道效應並形成漏電的概率，近乎指數級的受到了來自電壓的影響。我們甚至可以以「莫名其妙的堅定」來得到更加簡單的結論——只要提升一點電壓，跟運算沒有任何關係的漏電就會「嗖嗖嗖」的膨脹起來，晶片同負載同頻率下的功耗也就跟著水漲船高了。

3電壓有害無益？

　　● 電壓有害無益？

　　電壓真是一個讓我們又愛又恨的存在，它會加劇電子的「頑劣」，讓電子變得更容易越過絕緣層並形成漏電。從這個角度出發，電壓無疑是晶片能耗控制的一大障礙。但另一方面，我們毫無疑問的又不可能離開電壓，因為電壓對晶片正常運行的保障作用是人盡皆知的最簡單的事實。

電晶體的工作離不開電壓

　　電晶體的「開閉」動作來實現與非門的過程，本質上其實是電子流入/停留/流出的過程，驅動這一過程的最基本要素就是電壓。只有當電壓達到一定大小時，電子才會在半導體中發生我們需要的定向移動。電晶體的動作速度越快，頻率越高，所需要的驅動電壓也就越高。所以電壓是半導體電路工作尤其是高頻工作的最本質基礎，這一點甚至無需任何科普。

即便受影響相對較小的HD7950，也產生了36.8%的功耗波動

　　但無論是我們的科普還是上周的測試結果，都毫無疑問的給這位半導體電路工作的基礎決定要素打上了「麻煩製造者」的烙印。我們的測試僅僅改變了平均15%的電壓，卻換來了近40%的功耗變動，甚至如果我們進一步提升工作電壓，隧穿漏電所導致的功耗增量還會以更加明顯的增速快速上揚。這種不正常的非線性增量不僅再次說明了隧道效應產生影響的嚴重性，更讓電壓的處境變得微妙起來。

　　一邊是運行中的必須，一邊卻是無用的多餘，圍城的好戲難道又要上演了麼……

4平衡才是關鍵

　　● 平衡才是關鍵

　　現在，我們似乎陷入了一個矛盾的境地。一方面，電壓是導致漏電產生以及拉升相同負載下顯卡功耗的罪魁禍首，它會導致顯卡產生「完全沒有意義」的功耗。而另一方面，電壓卻又是維持晶片工作頻率的重要因素。極端有用和完全沒用兩個並行的存在，似乎讓我們的抉擇變得異常困難了。

　　其實，事情並不想看起來那麼困難，只要我們明白自己到底需要什麼，選擇同樣會變得很輕鬆。任何事物都同時具備著積極和消極的一面，具體表現出哪一面的屬性要看我們讓它出現在哪裡。讓正確的事物在正確的時間裡出現在正確的場合併解決最需要解決的矛盾，我們自然後可以收穫事物正確積極的一面屬性，電壓也不例外。

對中低端顯卡來說，性能也許比功耗更重要

　　我們首先要明確的一點，就是自己究竟需要的是什麼，是高頻、幀數或者需要被補足的性能？還是使用過程中的功耗、發熱以及噪音表現？如果我們需要的是前者，那麼矛盾自然就是性能而非功耗，此時我們所需要的自然也就是電壓對高頻電晶體的驅動屬性。更高的電壓雖然會讓漏電變得更加嚴重，但它並不是矛盾的主體，為了性能需求，我們也只能通過改善散熱等手段來平衡伴隨電壓升高而帶來的諸多麻煩了。

　　如果很幸運的，我們正在使用的顯卡完全可以在默認狀態下滿足自己的需求，那麼電壓作為驅動電晶體高頻運作的屬性也就變得不再那麼緊迫了。如果您希望控制顯卡的功耗，降壓是一個非常理想的手段。更低的電壓不僅可以大幅降低隧道效應發生的概率，同時還會顯著降低熱電子遷移現象的發生，因為在熱電子遷移現象中，電壓驅動電子氣體衝擊晶格的作用是遠大於溫度因素的。因此，降低電壓不僅能夠緩解功耗和發熱問題，同時還可以進一步起到保護電路並等效延長晶片壽命的目的。

在穩定的前提下，降壓使用對晶片是有好處的

　　正因為此，在討論降壓是否有害的問題時，我們可以給出一個相對肯定的答案——只要降壓幅度控制在晶片能夠相對穩定運行的範圍內，降壓操作對晶片本身而言是有百利而無一害的。至於降壓的幅度，受限於晶片質量及批次所導致的隨機性，我們無法針對每一顆晶片能夠正常運行的最低電壓問題都給出一個確切的答案，但根據我們測試的結果，大部分GPU晶片都能夠承受0.05V~0.1V的核心電壓下調。如果您希望以降壓為手段來降低顯卡的功耗，不妨以此為起點進行調整。當然，需要特別注意的是，由於GPU Boost和AMD Boost在一定程度上接管了對電壓的控制工作，因此支持這兩種技術的產品在目前很難進行電壓的下調工作。

 

GPU的電壓、功耗、溫度直接或間接的影響著性能的發揮，那麼三者之間有著怎樣的直接關係呢？或者說三者之間的誘因優勢什麼呢？本文通過嚴謹的科學解釋為您揭開謎底，也許文字晦澀，但是如果精讀必有所獲。