Куда идет энергопотребление в компьютере?

Сегодня за обедом у нас произошла странная дискуссия: что именно вызывает энергопотребление компьютера, особенно процессора? ( ETA: по понятным причинам мне не нужно объяснение, почему жесткий диск, дисплей или вентиляторы потребляют энергию - эффект там довольно очевиден. )

Цифры, которые вы обычно видите, указывают на то, что только процент (хотя и большой) потребляемой мощности заканчивается теплом. Однако что именно происходит с остальными? Процессор больше не является устройством, которое механически перемещает детали, излучает свет или использует другие способы преобразования энергии. Сохранение энергии требует, чтобы вся поступающая энергия уходила куда-то, а для чего-то вроде процессора я серьезно не могу себе представить, что выход - это что-то кроме тепла.

Мы, будучи информатиками, а не студентами-электротехниками, конечно же, не помогли точно ответить на вопрос.

Электроны толкаются, что требует работы. И электроны испытывают «трение», когда они движутся, нуждаясь в большем количестве энергии.

Если вы хотите протолкнуть электроны в соединение PNP, чтобы включить его, это требует энергии. Электроны не хотят двигаться и не хотят сближаться; Вы должны преодолеть их взаимное отталкивание.

Возьмите простейший процессор, единственный, одинокий, транзистор:

Электроны теряют энергию, когда они сталкиваются, генерируя тепло. А преодоление электрических полей притяжения и отталкивания требует энергии.

В википедии есть интересная статья о принципе Ландауэра, в которой говорится (цитата):

«Любое логически необратимое манипулирование информацией, такое как стирание бита или слияние двух вычислительных путей, должно сопровождаться соответствующим увеличением энтропии степеней свободы устройства обработки информации или его среды, несущих информацию».

Это означает, что (цитата):

В частности, каждый бит потерянной информации приведет к выделению величины kT ln 2 тепла, где k - постоянная Больцмана, а T - абсолютная температура контура.

Все еще цитирую:

Ибо, если число возможных логических состояний вычисления будет уменьшаться по мере продвижения вперед (логическая необратимость), это будет означать запрещенное уменьшение энтропии, если только число возможных физических состояний, соответствующих каждому логическому состоянию, не увеличится одновременно по меньшей мере на компенсационную величину, чтобы общее количество возможных физических состояний было не меньше, чем первоначально (общая энтропия не уменьшилась).

Таким образом, как следствие второго закона термодинамики (и Ландауэра), некоторые типы вычислений не могут быть выполнены без генерирования минимального количества тепла, и это тепло не является следствием внутреннего сопротивления ЦП.

Ура!

Чтобы добавить к другим отличным ответам:

Цифры, которые вы обычно видите, указывают на то, что только процент (хотя и большой) потребляемой мощности заканчивается теплом. Однако что именно происходит с остальными?

На самом деле, почти все заканчивается течкой. По закону сохранения энергии , вся энергия (что мощность умножается на время) имеет в конечном итоге где - то. Почти все процессы внутри компьютера в конечном итоге превращают энергию в тепло, прямо или косвенно. Например, вентилятор превратит энергию в движущийся воздух (= кинетическая энергия), однако движущийся воздух будет остановлен трением с окружающим воздухом, что превратит его кинетическую энергию в тепло.

То же самое относится к таким вещам, как излучение (свет от монитора, электромагнитное излучение от всех электрических компонентов) и звук (шумы, звук от громкоговорителей), создаваемый компьютером: они тоже будут поглощаться и превращаться в тепло.

Если вы читаете «процент», который заканчивается нагревом, это может относиться только к источнику питания. Источник питания должен действительно превращать большую часть своего вклада в электрическую энергию, а не в тепло (хотя он также производит некоторое тепло). Эта энергия будет превращена в тепло остальной частью компьютера :-).

Многое из этого также идет на перемещение вашего жесткого диска и вентиляторов, а также освещение вашего монитора.

Часть этого идет на передачу данных по сети. Подумайте, сколько энергии нужно большой радиостанции для этого. Компьютер делает то же самое с сетевыми данными, даже если он в гораздо меньшем масштабе по сети Ethernet или Wi-Fi антенне.

Более того, пути внутри процессора и материнской платы работают почти так же, как и сетевые передачи. Требуется энергия, чтобы двигать электроны по этим путям. Электрон может не иметь большой массы, но вы перемещаете их миллиарды и делаете это миллиарды раз в секунду.

Существует также энергия, используемая для включения и выключения битов памяти, плюс память ЦП должна продолжать использовать питание для поддержания текущей памяти, даже когда ничего не обрабатывается. Мне не удалось найти цифры, но вы меня заинтересовали, поэтому, если я что-то найду, я добавлю это.

Я дизайнер ЦП. Позвольте мне дать простейшее объяснение, которое я могу придумать.

«Вся электрическая энергия превращается в тепло».

Вы можете спросить; Если вся электрическая энергия преобразуется в тепло, кто обеспечивает энергию для вычислений?

«Все электрические вычисления рассеивают тепловую энергию».

В процессоре (или любой другой полупроводниковой схеме) для электрических вычислений требуются две вещи:

• Способ отправки информации из одного места в другое (думаю, провода)
• Способ действовать на информацию (думаю, транзисторы)

Провода в реальном мире расходуют тепловую энергию, потому что они имеют ненулевое сопротивление; транзисторы также расходуют тепловую энергию, потому что электроны (и дырки) сталкиваются друг с другом, а атомы вызывают тепло.

Теперь вы можете спросить: моя электрическая горелка расходует всю электрическую энергию в виде тепла, но не вычисляет. Почему верен другой способ (вычисление расхода тепловой энергии).

Это связано с тем, что электроны текут в горелке случайным образом без какого-либо конкретного пути (бесполезно для вычислений), но в процессоре электроны движутся по точно определенному пути (полезному для вычислений), продиктованному HW / схемотехникой. В любом случае, электроны перемещаются, вызывая рассеивание тепла. Другими словами, единственная разница между горелкой и процессором состоит в том, что у первых нет специфических электрических путей прохождения электронов, а у последних - нет; просто потому, что пути прохождения электронов различны, последние не должны тратить меньше тепловой энергии.

Давайте продолжим гипотетический опрос. Можем ли мы выбрать что-то сильно отличающееся от процессоров и посмотреть, как они контрастируют? Давайте представим припаркованную машину на дороге. Если я толкаю автомобиль вперед, то выполненная мной работа (энергия, которую я получаю) преобразуется в две вещи: а) новый импульс автомобиля и б) тепло из-за трения между шинами и дорогой. Подождите минуту, вы говорите, автомобиль импульса. Я вижу что-то физическое, что произошло исключительно потому, что я потратил на это энергию (минус тепло / трение). Тепло от трения теряется (точно так же, как тепло процессора), но генерируемый импульс все еще полезен (скажем, зарядка электрической батареи в автомобиле во время рекуперации). Полезность ЦП заключается в работе с некоторой информацией (определенное расположение битов) и генерацией набора новых фрагментов информации (двоичные биты ввода и вывода); хотя информация абстрактна; не физический. Автомобиль полезен в физическом мире. Информация предназначена для процессора, а физический мир - для автомобилей. Оба излучают тепло, когда они делают что-то полезное для нас, но машины делают еще одну вещь: они физически двигают нас. Что процессор делает в физическом мире, кроме генерации тепла? Ничего такого. Еще один способ увидеть, как процессоры преобразуют всю электрическую энергию в тепло и ничего больше.

Подождите минуту, это на самом деле означает; Я могу использовать процессоры как горелки? Что, если моя электрическая конфорка вместо процессора, и я ставлю на нее кастрюлю, чтобы приготовить ужин. Вы держите пари! Вы получаете две вещи: вычисление еды и информации с одинаковыми затратами энергии! Просто очень дорогая горелка, хотя!

Насколько я понимаю, подавляющее большинство потребляемой процессором энергии вырабатывается в виде тепла. Чтобы выполнить работу, физическая система преобразует или перемещает энергию - процессор работает, преобразовывая электрическую энергию в тепло, изменяя свое внутреннее состояние много раз по пути (поэтому часть энергии эффективно сохраняется некоторое время таким образом).

Предостережение: мои практические занятия по электронике и физике прекратились около 20 лет более десяти лет назад, если только вы не считаете, что читаете «Нового ученого», поэтому проходящий физик может сказать мне, что я совершенно неправ!

Один респондент указал, что почти все заканчивается течкой. Это почти правильно. Фактически, вся потребляемая мощность в конечном итоге превращается в тепло. Поклонник был хорошим примером. Вентилятор превратит энергию в движущийся воздух (= кинетическая энергия), однако движущийся воздух будет остановлен трением с окружающим воздухом, что превратит его кинетическую энергию в тепло. Та же концепция применима к свету от монитора и т. Д. Если вы поместите компьютерную систему, потребляющую 250 Вт, в герметичную комнату, общий результат будет таким же, как и установка в помещении нагревателя на 250 Вт.

Вычисление - это тепло. Хотя, конечно, не все тепло это вычисления. Так что единственный логичный ответ; Сколько теряется на тепло? Ответ на все это.

Вычисление организовано тепло. В виде данных. То, что мы считаем ненужным теплом, - это просто дезорганизованные данные, которые не используются для вычислений.

Я хотел ответить на этот комментарий выше: «Подумайте о простой электрической цепи: устройстве (любом устройстве), подключенном к аккумулятору. Куда уходит электричество? Оно не останавливается на устройстве; некоторые из них используются для любых целей. это устройство делает, но остальное продолжается через провод, обратно к батарее (отсюда замкнутая цепь). "

Этот комментарий верен, если мы говорим об электрическом токе; он протекает по цепи (работает, то есть рассеивает тепло) и возвращается к батарее (или источнику питания). Ток здесь на самом деле относится к потоку электронов.

Тем не менее, оригинальный постер имел в виду тепло, или рассеиваемую энергию. Тепло / рассеиваемая энергия не возвращается к батарее. Энергия потребляется от батареи и полностью рассеивается через тепло в процессоре. Электрический ток - это другое дело.

Да, да, процессор преобразует много электричества, которое он поглощает, в тепло. Мы все это знаем; вот почему у нас сейчас такие сумасшедшие охлаждающие устройства, подключенные к процессору.

Однако вам не хватает самого основного принципа электроники.

Ваши дебаты звучат так, как будто электричество входит в свет или двигатель, и все это преобразуется в свет или кинетическую энергию, что не так. Подумайте о простой электрической цепи: устройство (любое устройство), подключенное к аккумулятору. Куда уходит электричество? Это не останавливается на устройстве; часть из них используется для того, чтобы делать то, что делает устройство, но остальное продолжается через провод обратно к батарее (отсюда замкнутая цепь ).

Компьютер ничем не отличается. Носители заряда проходят через сеть, входят в блок питания, затем в процессор, где они выполняют свою работу, выделяют тепло в процессе, затем остальное выходит обратно в блок питания и обратно в сеть.

Ян Бойд неплохо начал, указывая на транзистор , но не последовал за ним материального объяснения того, для чего именно используется электричество («отдача» устройства, в частности, аналогия с движением вентилятора или свет светодиода). Вы можете провести небольшое исследование того, как работает транзистор, чтобы действительно понять его, но достаточно сказать, что электричество используется для физического изменения атомного расположения части транзистора, чтобы разрешить или заблокировать поток электронов. Конечно, его «действие» не так ясно или очевидно, как движение или свет, но энергия все еще используется для того, чтобы что-то сделать (и, как упомянул Ян, при нагревании атомов создается куча тепла). Я видел несколько фотографий SEM с процессором, который действительно помогает визуализировать вещи; если я могу найти один, я добавлю его.