原创 CPU频率与功耗的关系浅析

前段时间，在网上看到一个面试题，感觉有些意思，也挺能考察一个人的专业基础知识。
题目是：“CPU为什么频率越高，发热越大，请从电路分析角度解释”。
下面就以个人观点来解释一下，欢迎大家批评指正。
可以从两方面来解释：

1、电容充放电
对于MOS管，存在栅极与衬底间电容Cgb（即数据手册中的输入电容Ci）、漏极与衬底间电容Cdb、栅极与漏极间电容Cgd以及导通电阻等，使MOS管在导通与截止两种状态之间转换时，不可避免地受到电容充放电过程的影响。CPU频率越高，导通与截止的切换频率也越高，使得电容充放电的频率随之加大，那么这个过程就导致了整体的功耗加大，即发热量增加了。
2、输出特性与传输特性
以数字电路的基本单元电路--CMOS反相器为例，

根据传输特性曲线和CMOS管的两种极限情况分析可知，不论输出为高电平或低电平，总有一只MOS管工作在截止区，因此，流过两管的电流接近零，功耗也很小几乎为零。但是，在导通与截止切换的过程中，有两管均工作在饱和区的情况（即两管均导通的过渡区域），此时，Vi=VDD/2，电流Id达到最大值，那么就会产生较大的功耗。虽然这个过程是瞬间的，但是当CPU的频率加大时，这个过程的占空比就会增大，从而也会造成发热量的增加。

不到之处欢迎大家批评指正。