Dove va il consumo di energia in un computer?

Oggi abbiamo avuto una strana discussione a pranzo: cosa causa esattamente il consumo di energia in un computer, in particolare nella CPU? ( ETA: per ovvi motivi non ho bisogno di una spiegazione del motivo per cui un disco rigido, un display o i fan consumano energia - l'effetto è abbastanza ovvio. )

Le cifre che di solito indicano che solo una percentuale (anche se grande) del consumo di energia finisce in calore. Tuttavia, cosa succede esattamente con il resto? Una CPU non è (più) un dispositivo che sposta meccanicamente le parti, emette luce o utilizza altri modi per trasformare l'energia. La conservazione dell'energia impone che tutta l'energia in entrata debba uscire da qualche parte e per qualcosa come una CPU non riesco davvero a immaginare che l'uscita sia tutt'altro che calore.

Il fatto di essere studenti di informatica invece di studenti di ingegneria elettrica non ha certamente aiutato a rispondere con precisione alla domanda.

Gli elettroni vengono spinti in giro, il che richiede lavoro. E gli elettroni sperimentano "attrito" mentre si muovono, hanno bisogno di più energia.

Se vuoi spingere gli elettroni in una giunzione PNP per accenderlo, questo richiede energia. Gli elettroni non vogliono muoversi e non vogliono avvicinarsi insieme; devi superare la loro reciproca repulsione.

Prendi la cpu più semplice, un singolo transistor solitario:

Gli elettroni perdono energia quando si urtano, generando calore. E superare i campi elettrici di attrazione e repulsione richiede energia.

C'è un interessante articolo su Wikipedia sul principio di Landauer che afferma che (citazione):

"qualsiasi manipolazione logicamente irreversibile delle informazioni, come la cancellazione di un bit o l'unione di due percorsi di calcolo, deve essere accompagnata da un corrispondente aumento di entropia dei gradi di libertà non informativi dell'apparato di elaborazione delle informazioni o del suo ambiente"

Ciò significa che (citazione):

In particolare, ogni bit di informazione persa porterà al rilascio di una quantità di kT ln 2 di calore, dove k è la costante di Boltzmann e T è la temperatura assoluta del circuito.

Ancora citando:

Se il numero di possibili stati logici di un calcolo dovesse diminuire man mano che il calcolo procedeva in avanti (irreversibilità logica), ciò costituirebbe una diminuzione proibita dell'entropia, a meno che il numero di possibili stati fisici corrispondenti a ciascuno stato logico aumentasse contemporaneamente di almeno un importo compensativo, in modo che il numero totale di possibili stati fisici non fosse inferiore a quello originario (l'entropia totale non è diminuita).

Quindi, come conseguenza della Seconda Legge della Termodinamica (e di Landauer), alcuni tipi di calcoli non possono essere eseguiti senza generare una quantità minima di calore, e questo calore non è una conseguenza della resistenza interna della CPU.

Saluti!

Per aggiungere alle altre risposte eccellenti:

Le cifre che di solito indicano che solo una percentuale (anche se grande) del consumo di energia finisce in calore. Tuttavia, cosa succede esattamente con il resto?

In realtà, quasi tutto finisce in calore. Secondo la legge di conservazione dell'energia , tutta l'energia (che è potenza moltiplicata per il tempo) deve finire da qualche parte. Quasi tutti i processi all'interno di un computer finiscono per trasformare l'energia in calore, direttamente o indirettamente. Ad esempio, il ventilatore trasformerà l'energia in aria in movimento (= energia cinetica), tuttavia l'aria in movimento verrà fermata per attrito con l'aria circostante, che trasformerà la sua energia cinetica in calore.

Lo stesso vale per le cose come le radiazioni (luce proveniente dal monitor, radiazioni EM da tutti i componenti elettrici) e il suono (rumori, suoni degli altoparlanti) che un computer produce: anche loro saranno assorbiti e trasformati in calore.

Se leggi di una "percentuale" che finisce in calore, questo potrebbe aver fatto riferimento solo all'alimentazione. L'alimentatore dovrebbe infatti trasformare una grande percentuale del suo ingresso in energia elettrica, non in calore (sebbene produca anche un po 'di calore). Questa energia verrà quindi trasformata in calore dal resto del computer :-).

Gran parte di ciò riguarda anche lo spostamento del disco rigido e delle ventole e l'illuminazione del monitor.

Alcuni di questi vanno alla trasmissione di dati sulla rete. Pensa a quanta energia ha bisogno una grande stazione radio per questo. Il computer sta facendo la stessa cosa con i dati di rete, anche se su una scala molto più piccola su una linea Ethernet o un'antenna wifi.

Inoltre, i percorsi all'interno della CPU e della scheda madre funzionano più o meno allo stesso modo delle trasmissioni di rete. Ci vuole energia per spostare gli elettroni lungo quei percorsi. Un elettrone potrebbe non avere molta massa, ma ne stai spostando miliardi e lo stai facendo miliardi di volte al secondo.

C'è anche energia utilizzata per accendere e spegnere i bit di memoria, inoltre la memoria della CPU deve continuare a utilizzare l'alimentazione per mantenere la memoria corrente anche quando non viene elaborato nient'altro. Non sono stato in grado di trovare cifre, ma ora mi sei interessato, quindi se trovo qualcosa lo aggiungerò.

Sono un progettista di CPU. Consentitemi di fornire una spiegazione più semplice che mi venga in mente.

"Tutta l'energia elettrica viene convertita in calore."

Si può chiedere; se tutta l'energia elettrica viene convertita in calore, chi fornisce energia per il calcolo?

"Tutti i calcoli elettrici dissipano l'energia termica."

In una CPU (o in qualsiasi altro circuito a semiconduttore), il calcolo elettrico richiede due cose:

• Un modo per inviare informazioni da un luogo all'altro (pensa ai fili)
• Un modo per agire sull'informazione (pensa ai transistor)

I fili nel mondo reale consumano energia termica perché hanno una resistenza diversa da zero; i transistor consumano anche energia termica perché gli elettroni (e i buchi) si urtano l'un l'altro e gli atomi causano calore.

Ora puoi chiedere: quindi il mio bruciatore elettrico consuma tutta l'energia elettrica come calore ma non calcola. Perché l'altro modo è vero (calcolo che spende energia termica).

Questo perché gli elettroni scorrono casualmente nel bruciatore senza un percorso specifico (non utile per il calcolo), ma in un flusso di elettroni della CPU in un percorso definito con precisione (utile per il calcolo) dettato dalla progettazione HW / circuito. Ad ogni modo, gli elettroni si muovono, causando la dissipazione del calore. In altre parole, l'unica differenza tra un bruciatore e una CPU è che la prima non ha percorsi elettrici specifici per far fluire gli elettroni e la seconda; solo perché le vie del percorso degli elettroni sono diverse, non è una ragione per quest'ultima consumare meno energia termica.

Continuiamo a fare domande ipotetiche. Possiamo scegliere qualcosa di molto diverso dalle CPU e vedere come contrastano? Immaginiamo un'auto parcheggiata su strada. Se spingo la macchina in avanti, il lavoro svolto da me (l'energia fornita da me) viene convertito in due cose: a) nuovo slancio della macchina eb) Calore dovuto all'attrito della gomma / strada. Aspetta un momento, dici, lo slancio di Car. Qualcosa di fisico posso vedere che è successo solo perché ho speso energia verso di esso (meno calore / attrito). Il calore per attrito viene perso (proprio come il calore della CPU) ma lo slancio generato è ancora utile (ad esempio caricare la batteria elettrica nell'auto durante la rigenerazione). L'utilità della CPU sta nel operare su alcune informazioni (alcune disposizioni di bit) e generare un insieme di nuove informazioni (bit binari di input e output); l'informazione è astratta però; non fisico. L'utilità dell'auto è nel mondo fisico. Le informazioni sono per la CPU mentre il mondo fisico è per le automobili. Entrambi irradiano calore quando fanno qualcosa di utile per noi, ma le auto fanno un'altra cosa: ci muovono fisicamente. Cosa fa la CPU nel mondo fisico oltre a generare calore? Niente. Solo un altro modo per vedere come le CPU convertono tutta l'energia elettrica in calore e nient'altro.

Aspetta un minuto, questo in realtà significa; Posso usare le CPU come masterizzatori? E se il mio bruciatore elettrico fosse invece una CPU e ci mettessi sopra una padella per cucinare la cena. Scommetti! Ottieni due cose: calcolo di alimenti e informazioni con lo stesso costo energetico! Solo un bruciatore molto costoso!

La mia comprensione è che la stragrande maggioranza del consumo di energia da parte di una CPU viene prodotta come calore. Per funzionare, un sistema fisico converte o sposta energia: la CPU funziona convertendo l'energia elettrica in calore, cambiando il suo stato interno un gran numero di volte lungo la strada (quindi parte dell'energia viene effettivamente immagazzinata per un certo periodo di tempo).

Avvertenza: il mio addestramento pratico in elettronica e fisica si è fermato all'età di 20 anni più di un decennio fa, a meno che tu non contasse di leggere un nuovo scienziato, quindi un fisico di passaggio potrebbe dirmi che mi sbaglio completamente!

Un rispondente alle orecchie ha indicato che quasi tutto finisce in calore. È quasi corretto. In effetti, tutta la potenza assorbita finisce per diventare calore alla fine. Il fan è stato un buon esempio. Il ventilatore trasformerà l'energia in aria in movimento (= energia cinetica), tuttavia l'aria in movimento verrà arrestata per attrito con l'aria circostante, trasformando la sua energia cinetica in calore. Lo stesso concetto si applica alla luce proveniente dal monitor, ecc. Se si inserisce un sistema informatico che consuma 250 watt di potenza in una stanza sigillata, il risultato netto è lo stesso di mettere un riscaldatore da 250 watt nella stanza.

Il calcolo è calore. Mentre ovviamente non tutto il calore è calcolo. Quindi l'unica risposta logica a; Quanto si perde al calore? La risposta è tutta.

Il calcolo è calore organizzato. Sotto forma di dati. Ciò che consideriamo calore residuo sono solo dati disorganizzati e non utilizzati per il calcolo.

Volevo rispondere a questo commento sopra "Pensa a un semplice circuito elettrico: un dispositivo (qualsiasi dispositivo) collegato a una batteria. Dove va l'elettricità? Non si ferma al dispositivo; alcuni di questi sono usati per fare qualunque cosa è il dispositivo, ma il resto continua attraverso il filo, tornando alla batteria (da qui il circuito chiuso). "

Questo commento è corretto se stiamo parlando di corrente elettrica; scorre attraverso il circuito (funziona anche dissipando il calore) e torna alla batteria (o alla fonte di alimentazione). La corrente qui si riferisce effettivamente al flusso di elettroni.

Tuttavia, il poster originale si riferiva al calore noto come energia dissipata. Il calore / dissipazione di energia non ritorna alla batteria. L'energia viene consumata dalla batteria e dissipata interamente attraverso il calore nella CPU. La corrente elettrica è una questione diversa.

Sì sì, una CPU converte molta elettricità che assorbe in calore. Lo sappiamo tutti; ecco perché ora abbiamo dispositivi di raffreddamento così folli collegati alla CPU.

Tuttavia ti manca il principio di base dell'elettronica.

Il tuo dibattito suona come quando l'elettricità entra in una luce o in un motore, tutto viene convertito in luce o energia cinetica, il che non è il caso. Pensa a un semplice circuito elettrico: un dispositivo (qualsiasi dispositivo) collegato a una batteria. Dove va l'elettricità? Non si ferma al dispositivo; parte di esso viene utilizzato per fare qualunque cosa faccia il dispositivo, ma il resto continua attraverso il filo, di nuovo alla batteria (da qui il circuito chiuso ).

Un computer non è diverso. I portatori di carica entrano attraverso la rete, entrano nell'alimentatore, quindi nella CPU dove svolgono il loro lavoro, creano calore nel processo, quindi il resto viene fuori, di nuovo all'alimentatore e di nuovo alla rete.

Ian Boyd ha avuto un buon inizio indicando un transistor , ma non lo ha seguito con una spiegazione tangibile di cosa esattamente viene utilizzata l'elettricità (il "payoff" del dispositivo, in particolare come analogia al movimento di un ventilatore o luce di un LED). Puoi fare una piccola ricerca su come funziona un transistor per capirlo davvero, ma basti dire che l'elettricità viene utilizzata per alterare fisicamente la disposizione atomica di una parte del transistor per consentire o bloccare il flusso di elettroni. Concesso che la sua "azione" non è così chiara o ovvia come il movimento o la luce, ma l'energia viene ancora utilizzata per fare qualcosa (e come ha detto Ian, quando si spingono gli atomi si crea un mucchio di calore). Ho visto alcune foto SEM di un gate CPU in azione che aiuta davvero a visualizzare le cose; se riesco a trovarne uno, lo aggiungerò.