为什么大多数低压电子设备（比如电脑，单片机）的总线电压是12v，5v，3.3v？
关于电子设备中常见的总线电压，诸如12V、5V、3.3V这样的数值，它们的出现并非偶然，而是历史发展、技术演进以及功耗、信号完整性等多方面权衡的结果。想要深入理解这一点，我们得从电子电路的基础说起，就像盖房子一样，电压就像是输送“砖块”和“水泥”的“卡车”的载重能力，太小了搬不动，太大了则效率低下且不安全。
早期时代的遗产：12V 的身影
追溯到上世纪70年代末、80年代初，个人电脑刚刚萌芽。当时，很多关键的电子元器件，特别是早期的晶体管和集成电路，它们对电压的要求相对较高。
晶体管和早期的集成电路： 那个年代的半导体工艺与现在相比非常粗糙。为了让晶体管能够可靠地导通和截止，需要更大的电压差来驱动，12V 是当时一个比较“安全”且易于实现的电压水平。
功率需求： 早期的计算机为了实现某些功能，例如驱动机械硬盘、显示器的阴极射线管（CRT），需要较大的功率。12V 相对于更低的电压，可以提供更大的功率（功率 = 电压 × 电流）。
电源设计的简单性： 在当时，将市电（110V/220V）转换为12V的开关电源技术已经相对成熟，并且成本可控。同时，从12V再通过简单的线性稳压器或者磁性元件（如变压器、电感）降压到更低的电压（如5V）也比直接从市电降压到更低电压要容易和稳定。
兼容性与标准化： 随着PC产业的发展，例如IBM PC及其兼容机，12V被广泛用作某些组件（如硬盘驱动器、风扇）的供电电压，这种标准就这样沿袭了下来。你现在打开台式机，依然能看到12V线缆给硬盘、显卡、CPU风扇供电，这就是历史的沉淀。
5V 时代的黄金十年
随着半导体技术的飞速发展，特别是CMOS（Complementary MetalOxideSemiconductor）工艺的出现，情况发生了变化。CMOS技术因其低功耗和高集成度而成为主流，也为更低的电压提供了可能。
CMOS 工艺的优势： CMOS电路的开关特性对电压的要求不像早期晶体管那么苛刻。5V电压足以让CMOS门电路可靠地工作，并且其功耗远低于早期的TTL（TransistorTransistor Logic）逻辑电路。
集成度的提升： CPU、内存、主板芯片组等集成电路的复杂度爆炸式增长。为了在有限的空间内集成更多晶体管并保持良好的散热，降低工作电压就成了必然趋势。5V电压是一个很好的折衷点，它既能保证可靠工作，又能相对控制功耗。
TTL 逻辑的遗留： 虽然CMOS成为主流，但早期的TTL逻辑门和一些外围芯片仍然使用5V供电。为了兼容这些器件，5V电压也一度成为许多系统的“通用”低压供电。
USB 标准的推动： USB（Universal Serial Bus）标准在1996年首次发布，其最初的供电电压就定为5V。USB接口的广泛普及，进一步巩固了5V在低压电子设备中的地位，许多外设都依赖这个电压。
3.3V 及更低电压的崛起：追求极致效率与性能
进入21世纪，随着摩尔定律的继续推进，CPU、GPU等核心芯片的集成度达到了前所未有的水平，每平方毫米的晶体管数量急剧增加。这带来了巨大的挑战：
功耗瓶颈： 即使CMOS技术功耗很低，但当晶体管数量达到数十亿甚至上万亿时，即便单个晶体管的功耗微乎其微，叠加起来的总功耗也会非常惊人。过高的功耗不仅会产生大量的热量，增加散热成本和难度，还会严重影响设备的续航能力（尤其是笔记本电脑和移动设备）。
漏电流问题： 随着晶体管尺寸的缩小，栅介质层越来越薄，漏电流（即使在关闭状态下，电流也会微弱地通过）开始变得显著。漏电流会随着电压的降低而急剧减小，因此降低工作电压是控制漏电流、提升能效的关键手段。
信号速度与电压摆幅： 芯片内部的信号传输速度越来越快，对于信号的完整性（Signal Integrity）提出了更高要求。在极高的频率下，过大的电压摆幅（即高电平与低电平之间的差值）可能会导致信号失真、串扰等问题。在一定范围内，降低电压摆幅反而有助于提高信号的速度和可靠性。
3.3V 的优势： 3.3V电压相较于5V，在功耗上有显著的降低。很多现代的芯片，尤其是需要高速运行的CPU、内存控制器、PCIe接口等，都采用了3.3V或更低的供电电压。
更低的电压： 如今，我们还能看到2.5V、1.8V、1.5V甚至1.2V、1.0V等更低的电压，这主要是为了满足更高端CPU、GPU核心电压的需求，以应对更高的时钟频率和更复杂的制程工艺。例如，CPU的核心电压通常只有1V多一点，但它内部的许多控制和通信总线可能还是由3.3V或5V的一些衍生电压来驱动。
为什么不是其他电压？
1V、2V这种非整数电压： 虽然技术上可以实现，但考虑到电源模块的设计、元器件的标准化以及与市电频率（50/60Hz）的整数倍关系，12V、5V、3.3V这类数值在设计和生产中更为方便和经济。
10V、15V这类电压： 10V或15V在某些特定工业应用或老式电子设备中可能存在，但对于消费级低压电子设备而言，它们在功耗、散热和安全（相对于3.3V、5V）方面并没有明显优势，反而可能增加复杂性。
总结：历史、权衡与演进
所以，大家看到的12V、5V、3.3V这些电压，是：
1. 历史的遗留： 早期技术限制和标准确立的产物。
2. 技术进步的驱动： 随着半导体工艺的进步，对更低电压的需求应运而生。
3. 性能与功耗的平衡： 在保证芯片可靠工作、信号完整性的前提下，尽量降低功耗以提升效率和延长续航。
4. 标准化与成本考量： 易于实现、标准化且成本可控的电压值。
如今，我们看到的“总线电压”可能指的是主板上不同区域的供电，比如CPU核心电压、内存电压、I/O接口电压等。这些电压都会由主电源（通常是ATX电源，输出+12V、+5V、+3.3V、±12V、5V等）经过复杂的DCDC转换电路（例如，VRM，Voltage Regulator Module）进一步降压和稳定化，以满足不同芯片对电压的精确要求。
简单来说，12V、5V、3.3V就是电子世界里的“常用语言”，它们各自扮演着不同的角色，共同构建起我们今天熟悉的电子设备。
早期时代的遗产：12V 的身影
追溯到上世纪70年代末、80年代初，个人电脑刚刚萌芽。当时，很多关键的电子元器件，特别是早期的晶体管和集成电路，它们对电压的要求相对较高。
晶体管和早期的集成电路： 那个年代的半导体工艺与现在相比非常粗糙。为了让晶体管能够可靠地导通和截止，需要更大的电压差来驱动，12V 是当时一个比较“安全”且易于实现的电压水平。
功率需求： 早期的计算机为了实现某些功能，例如驱动机械硬盘、显示器的阴极射线管（CRT），需要较大的功率。12V 相对于更低的电压，可以提供更大的功率（功率 = 电压 × 电流）。
电源设计的简单性： 在当时，将市电（110V/220V）转换为12V的开关电源技术已经相对成熟，并且成本可控。同时，从12V再通过简单的线性稳压器或者磁性元件（如变压器、电感）降压到更低的电压（如5V）也比直接从市电降压到更低电压要容易和稳定。
兼容性与标准化： 随着PC产业的发展，例如IBM PC及其兼容机，12V被广泛用作某些组件（如硬盘驱动器、风扇）的供电电压，这种标准就这样沿袭了下来。你现在打开台式机，依然能看到12V线缆给硬盘、显卡、CPU风扇供电，这就是历史的沉淀。
5V 时代的黄金十年
随着半导体技术的飞速发展，特别是CMOS（Complementary MetalOxideSemiconductor）工艺的出现，情况发生了变化。CMOS技术因其低功耗和高集成度而成为主流，也为更低的电压提供了可能。
CMOS 工艺的优势： CMOS电路的开关特性对电压的要求不像早期晶体管那么苛刻。5V电压足以让CMOS门电路可靠地工作，并且其功耗远低于早期的TTL（TransistorTransistor Logic）逻辑电路。
集成度的提升： CPU、内存、主板芯片组等集成电路的复杂度爆炸式增长。为了在有限的空间内集成更多晶体管并保持良好的散热，降低工作电压就成了必然趋势。5V电压是一个很好的折衷点，它既能保证可靠工作，又能相对控制功耗。
TTL 逻辑的遗留： 虽然CMOS成为主流，但早期的TTL逻辑门和一些外围芯片仍然使用5V供电。为了兼容这些器件，5V电压也一度成为许多系统的“通用”低压供电。
USB 标准的推动： USB（Universal Serial Bus）标准在1996年首次发布，其最初的供电电压就定为5V。USB接口的广泛普及，进一步巩固了5V在低压电子设备中的地位，许多外设都依赖这个电压。
3.3V 及更低电压的崛起：追求极致效率与性能
进入21世纪，随着摩尔定律的继续推进，CPU、GPU等核心芯片的集成度达到了前所未有的水平，每平方毫米的晶体管数量急剧增加。这带来了巨大的挑战：
功耗瓶颈： 即使CMOS技术功耗很低，但当晶体管数量达到数十亿甚至上万亿时，即便单个晶体管的功耗微乎其微，叠加起来的总功耗也会非常惊人。过高的功耗不仅会产生大量的热量，增加散热成本和难度，还会严重影响设备的续航能力（尤其是笔记本电脑和移动设备）。
漏电流问题： 随着晶体管尺寸的缩小，栅介质层越来越薄，漏电流（即使在关闭状态下，电流也会微弱地通过）开始变得显著。漏电流会随着电压的降低而急剧减小，因此降低工作电压是控制漏电流、提升能效的关键手段。
信号速度与电压摆幅： 芯片内部的信号传输速度越来越快，对于信号的完整性（Signal Integrity）提出了更高要求。在极高的频率下，过大的电压摆幅（即高电平与低电平之间的差值）可能会导致信号失真、串扰等问题。在一定范围内，降低电压摆幅反而有助于提高信号的速度和可靠性。
3.3V 的优势： 3.3V电压相较于5V，在功耗上有显著的降低。很多现代的芯片，尤其是需要高速运行的CPU、内存控制器、PCIe接口等，都采用了3.3V或更低的供电电压。
更低的电压： 如今，我们还能看到2.5V、1.8V、1.5V甚至1.2V、1.0V等更低的电压，这主要是为了满足更高端CPU、GPU核心电压的需求，以应对更高的时钟频率和更复杂的制程工艺。例如，CPU的核心电压通常只有1V多一点，但它内部的许多控制和通信总线可能还是由3.3V或5V的一些衍生电压来驱动。
为什么不是其他电压？
1V、2V这种非整数电压： 虽然技术上可以实现，但考虑到电源模块的设计、元器件的标准化以及与市电频率（50/60Hz）的整数倍关系，12V、5V、3.3V这类数值在设计和生产中更为方便和经济。
10V、15V这类电压： 10V或15V在某些特定工业应用或老式电子设备中可能存在，但对于消费级低压电子设备而言，它们在功耗、散热和安全（相对于3.3V、5V）方面并没有明显优势，反而可能增加复杂性。
总结：历史、权衡与演进
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1. 历史的遗留： 早期技术限制和标准确立的产物。
2. 技术进步的驱动： 随着半导体工艺的进步，对更低电压的需求应运而生。
3. 性能与功耗的平衡： 在保证芯片可靠工作、信号完整性的前提下，尽量降低功耗以提升效率和延长续航。
4. 标准化与成本考量： 易于实现、标准化且成本可控的电压值。
如今，我们看到的“总线电压”可能指的是主板上不同区域的供电，比如CPU核心电压、内存电压、I/O接口电压等。这些电压都会由主电源（通常是ATX电源，输出+12V、+5V、+3.3V、±12V、5V等）经过复杂的DCDC转换电路（例如，VRM，Voltage Regulator Module）进一步降压和稳定化，以满足不同芯片对电压的精确要求。
简单来说，12V、5V、3.3V就是电子世界里的“常用语言”，它们各自扮演着不同的角色，共同构建起我们今天熟悉的电子设备。
网友意见
摩尔定律有一个习惯，工艺进步的主流节点总喜欢踩着大致每次缩减根号2倍节奏走，例如:0.5um，0.35um，0.25um，0.18um，0.13um，90nm，65nm，40nm，28nm，14/16nm，10nm（初始答案遗漏了该工艺节点，经评论提醒加入），7nm，5nm……
顺带的，电源电压也就嫁鸡随鸡了，如下:5V，3.3V，2.5V，1.8V，1.2V，0.9V…
PS:以上内容未经考证…
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