晶片為什麼會耗電？什麼都沒做時的待機電流與漏電

晶片會耗電，是因為裡面有很多用電控制的小開關。耗電分成兩種：一種是動的時候，開關每切換一次，都要用掉一點電；另一種是什麼都沒做的時候，開關明明關著，還是有一點點電流漏過去，這叫漏電，也叫漏電流。整顆晶片開著、卻沒在做事的時候，從電池抽走的那一點電，就叫待機電流。大家說的「省電的晶片」「低功耗晶片」，就是想辦法把這兩種都壓低的晶片。

晶片動的時候，電用到哪裡去了？

晶片裡最基本的零件叫電晶體，就是一個用電控制的小開關：通了是 1，斷了是 0（它長什麼樣子，見「電晶體是什麼？」）。

開關每切換一次，都要把一點電充進去、再放掉，像把一個小杯子裝滿、再倒掉。所以晶片做的事越多、切換得越快，用的電就越多。

電壓的影響特別大：這部分的耗電，大約跟電壓的平方成正比。電壓降成八成，這部分就只剩六成多。所以省電的第一招，常常是把電壓降下來。

什麼都沒做，為什麼還在耗電？

因為開關關不緊。

電晶體很小，閘門說「斷」的時候，還是有一點點電從入口溜到出口；閘門底下那層很薄的絕緣層，也會有電子直接穿過去。這就是漏電。

就像關不緊的水龍頭。開著用水時，一滴一滴不算什麼；可是滴一整晚，早上水桶就滿了。

一個開關漏的電少到可以不管，可是一顆晶片裡有很多很多個，手機晶片更有上百億個，加起來就很可觀。而且動的耗電只有做事時才有；漏電只要通著電，每一秒都在漏。

開關越做越小，漏電就越麻煩：大約從 2000 年代起，它大到電壓降不太下去，這也是摩爾定律變慢的原因之一（見「摩爾定律是什麼？」）。新聞說的「2 奈米」這樣一代代往下，都得再想辦法讓開關關緊。

為什麼跑得快的晶片，通常也比較漏？

一個開關要多大的電壓才會打開，是做的時候就決定的。這道門檻叫臨界電壓。

門檻低，一推就開，跑得快，可是關著時比較關不緊，漏得多。門檻高，關得緊，可是開得慢。所以「快」和「省」常常要取捨。

同一張設計圖做出來的晶片也不會一模一樣：偏快的那些，通常也比較漏。而且越熱，漏得越多。

待機電流是什麼？

就是整顆晶片開著、但沒在做事的時候，從電源抽走的電流。這時候開關幾乎不切換，剩下的主要就是漏電。

	動的時候的耗電	什麼都沒做時的漏電
什麼時候有	開關切換的時候	只要通著電，每一秒都有
跟什麼有關	做多少事、切換多快、電壓多高	開關關得多緊、有多少個、溫度多高

為什麼助聽器、手錶、感測器特別在乎待機電流？

因為它們有兩個共同點：電池很小，而且晶片常常整顆或一部分在等。

很多感測器大部分時間都在睡，偶爾醒來量一下、送出資料，又睡回去；電子手錶大部分時間也只是在走時間。「等」比「做事」久得多，總耗電裡，待機那一份往往就很大。

助聽器是幫忙把聲音聽清楚的小機器，戴著的時候一直在收音、處理聲音；可是晶片裡不是每一部分都隨時在忙，沒在忙的那些，還是一直在漏。它用的常是一顆小小的鋅空氣電池，一顆大約撐幾天到一兩週，看電池大小、機型和每天戴多久。

電池能撐多久，大致是「電池裝了多少電」除以「平均每一刻用掉多少」：平均多用一成，就少撐差不多一成。晶片每多漏一點，電池就少撐一點。

設計晶片時，怎麼讓它省電？

用白話說，常見的是這幾招：

• 不用的部分先停下來：晶片裡有一個像節拍器的訊號，叫時脈，開關跟著它切換。把不用那一塊的節拍停掉，就省下動的耗電；可是它還通著電，還是會漏。
• 不用的部分整塊斷電：連電都切掉，漏電也省下來。代價是要用時得花點時間重新開起來，關掉前也要先存好該記住的東西。
• 快的開關用在刀口上：一定要快的地方，用門檻低的開關；不急的地方，用門檻高、關得緊的。
• 電壓能低就低、大部分時間讓它睡：不用全速時就降電壓、跑慢一點；有事才叫醒，做完馬上回去睡。

晶圓廠和封測廠，怎麼顧住漏電？

開關關不關得緊，也是做出來的。閘門底下那層絕緣層長多厚（有的是在爐管裡長的）、矽裡加進多少原子（常用離子植入），都會影響門檻和漏電。做偏一點，晶片就可能快一點、也漏一點。所以晶圓出廠前，晶圓廠會做 WAT，在測試鍵上量電流和漏電，看這一批有沒有做偏。

到了封測廠，每一顆晶片都要考試（怎麼考，見「晶片怎麼測試？」）。考卷叫測試程式，其中一題就是待機電流：讓晶片停在什麼都不做的狀態，量它抽走多少電，超過上限就擋下來，分到另一個 bin。

上限畫在哪，是一種取捨：卡得太緊，好的也被擋掉，良率就掉；放得太寬，太漏的流到用的人手上，電池就撐不久。

測試問的是「現在漏多少」；用一陣子會不會壞，是另一件事，見「預燒是什麼？」。

在 fab24hr 裡

fab24hr 的主線「晶片的一生」，跟著一顆虛構的助聽器晶片「螢火」走。它只靠一顆鈕扣電池，所以大家最怕的，就是待機時的漏電。

第 10 章「待機電流」，你是封測廠的測試工程師。第一批量產的晶圓剛到，bin 上最多的不良是待機電流太高，集中在晶圓邊緣一圈，剛好卡在上限附近。客戶的產品工程師 Leo 說，他們的廣告就寫「一顆電池，多撐好幾天」。上限要卡緊、放寬，還是照研發線 FF 角落的數字定（你在第 1 章沒讓研發線跑 FF，就沒有這個選項），由你決定，再寫進測試程式。

終章是第 13 章「交到他手上」。你是沈爸爸，舊的助聽器很耗電，前天換的電池，傍晚又嗶了兩聲。女兒帶回一副新的：「它很省電：同一顆電池，可以多撐好幾天。」晚上十點半，以前舊的那一副早就沒聲音了；這時太太在廚房說話，你在客廳就聽見了。如果第 10 章把上限放寬，三個月後，會有一些助聽器的電池比說好的少撐好幾天，被退回來。

按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「封測廠」、左右滑到測試工程師，早班就是第 10 章那一班；午班還要決定：三顆待機電流沒超過上限、卻比旁邊高出一截的晶片，要不要另外挑掉。

遊戲裡的公司、晶片、人物和數字都是虛構的；「多撐好幾天」是故事裡的說法，不是哪一個真實產品的數字。漏電和待機電流的部分，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。