Gdzie idzie zużycie energii w komputerze?

Dzisiaj podczas lunchu mieliśmy dziwną dyskusję: Co dokładnie powoduje zużycie energii w komputerze, szczególnie w procesorze? ( ETA: Z oczywistych powodów nie potrzebuję wyjaśnienia, dlaczego dysk twardy, wyświetlacz lub wentylatory zużywają energię - efekt jest dość oczywisty. )

Liczby, które zwykle widzisz, wskazują, że tylko procent (choć duży) zużycia energii kończy się w cieple. Co jednak dzieje się z resztą? Procesor nie jest (już) urządzeniem, które mechanicznie porusza częściami, emituje światło lub wykorzystuje inne sposoby przekształcania energii. Oszczędzanie energii dyktuje, że cała energia wchodząca musi gdzieś wyjść, a dla czegoś takiego jak procesor poważnie nie wyobrażam sobie, aby ta moc była niczym innym jak ciepłem.

To, że jesteśmy informatyką zamiast studentów elektrotechniki, z pewnością nie pomogło w dokładnym udzieleniu odpowiedzi na pytanie.

Popychane są elektrony, co wymaga pracy. A elektrony doświadczają „tarcia”, gdy się poruszają, potrzebując więcej energii.

Jeśli chcesz wepchnąć elektrony do złącza PNP, aby je włączyć, wymaga to energii. Elektrony nie chcą się poruszać i nie chcą zbliżać się do siebie; musicie pokonać ich wzajemne odpychanie.

Weź najprostszy procesor, pojedynczy, samotny, tranzystor:

Elektrony tracą energię, gdy zderzają się, generując ciepło. Pokonywanie elektrycznych pól przyciągania i odpychania wymaga energii.

Na Wikipedii znajduje się ciekawy artykuł o zasadzie Landauera, który stwierdza, że ​​(cytat):

„wszelkim logicznie nieodwracalnym manipulacjom informacyjnym, takim jak usunięcie bitu lub połączenie dwóch ścieżek obliczeniowych, musi towarzyszyć odpowiedni wzrost entropii w nieinformacyjnych stopniach swobody urządzenia przetwarzającego informacje lub jego środowiska”

Oznacza to, że (cytat):

W szczególności każdy bit utraconej informacji doprowadzi do uwolnienia ilości kTnn 2 ciepła, gdzie k jest stałą Boltzmanna, a T jest temperaturą absolutną obwodu.

Wciąż cytuję:

Gdyby bowiem liczba możliwych stanów logicznych obliczeń zmniejszyła się w miarę postępu obliczeń (nieodwracalność logiczna), stanowiłoby to zabronione zmniejszenie entropii, chyba że liczba możliwych stanów fizycznych odpowiadających każdemu stanowi logicznemu miałaby jednocześnie wzrosnąć o co najmniej kwotę kompensacyjną, tak aby całkowita liczba możliwych stanów fizycznych była nie mniejsza niż pierwotnie (całkowita entropia nie spadła).

Tak więc, w wyniku drugiej zasady termodynamiki (i Landauera), niektórych rodzajów obliczeń nie można wykonać bez wygenerowania minimalnej ilości ciepła, a ciepło to nie jest konsekwencją wewnętrznej rezystancji procesora.

Twoje zdrowie!

Aby dodać do innych doskonałych odpowiedzi:

Liczby, które zwykle widzisz, wskazują, że tylko procent (choć duży) zużycia energii kończy się w cieple. Co jednak dzieje się z resztą?

Właściwie prawie wszystko kończy się w upale. Zgodnie z prawem zachowania energii , cała energia (czyli moc pomnożona przez czas) musi gdzieś skończyć. Prawie wszystkie procesy w komputerze kończą przekształcanie energii w ciepło, bezpośrednio lub pośrednio. Na przykład wentylator zamieni energię w ruchome powietrze (= energia kinetyczna), jednak ruchome powietrze zostanie zatrzymane przez tarcie z otaczającym powietrzem, co zamieni jego energię kinetyczną w ciepło.

To samo dotyczy promieniowania (światło z monitora, promieniowanie elektromagnetyczne ze wszystkich komponentów elektrycznych) i dźwięku (hałas, dźwięk z głośników) wytwarzanych przez komputer: one również zostaną pochłonięte i zamienione w ciepło.

Jeśli czytasz „procent”, który kończy się w cieple, mogło to dotyczyć samego zasilacza. Zasilacz powinien rzeczywiście zamieniać duży procent swojego wkładu w energię elektryczną, a nie w ciepło (choć wytwarza również trochę ciepła). Ta energia zostanie następnie zamieniona w ciepło przez resztę komputera :-).

Wiele z nich dotyczy także przenoszenia dysku twardego i wentylatorów oraz zapalania monitora.

Część z nich idzie na przesyłanie danych przez sieć. Zastanów się, ile mocy potrzebuje do tego duża stacja radiowa. Komputer robi to samo z danymi sieciowymi, nawet jeśli jest na znacznie mniejszą skalę za pośrednictwem linii Ethernet lub anteny Wi-Fi.

Co więcej, ścieżki wewnątrz procesora i płyty głównej działają prawie tak samo jak transmisje sieciowe. Potrzeba energii, aby przesunąć elektrony tymi ścieżkami. Elektron może nie mieć dużej masy, ale przenosisz miliardy z nich i robisz to miliardy razy na sekundę.

Energia jest również wykorzystywana do włączania i wyłączania bitów pamięci, a pamięć procesora musi nadal zużywać energię, aby utrzymać bieżącą pamięć, nawet gdy nic innego nie jest przetwarzane. Nie mogłem znaleźć figurek, ale teraz mnie zainteresujesz, więc jeśli coś znajdę, dodam to.

Jestem projektantem procesorów. Pozwól, że przedstawię najprostsze wyjaśnienie, jakie mogę wymyślić.

„Cała energia elektryczna zamieniana jest w ciepło”.

Możesz zapytać; jeśli cała energia elektryczna zamieni się w ciepło, kto dostarcza energię do obliczeń?

„Wszystkie obliczenia elektryczne rozpraszają energię cieplną”.

W CPU (lub innym obwodzie półprzewodnikowym) obliczenia elektryczne wymagają dwóch rzeczy:

• Sposób przesyłania informacji z jednego miejsca do drugiego (think przewody)
• Sposób działania na informacje (pomyśl tranzystory)

Przewody w świecie rzeczywistym zużywają energię cieplną, ponieważ mają niezerowy opór; tranzystory również zużywają energię cieplną, ponieważ elektrony (i dziury) zderzają się ze sobą, a atomy powodują ciepło.

Możesz teraz zapytać: więc mój palnik elektryczny zużywa całą energię elektryczną na ciepło, ale się nie oblicza. Dlaczego inna metoda jest prawdziwa (obliczenia zużywające energię cieplną).

Wynika to z tego, że elektrony przepływają w palniku losowo bez określonej ścieżki (nieprzydatne do obliczeń), ale w procesorze elektrony przepływają dokładnie określoną ścieżką (przydatną do obliczeń) podyktowaną konstrukcją sprzętową / obwodem. Tak czy inaczej elektrony poruszają się, powodując rozpraszanie ciepła. Innymi słowy, jedyna różnica między palnikiem a procesorem polega na tym, że ten pierwszy nie ma określonych ścieżek elektrycznych dla przepływu elektronów, a drugi ma; tylko dlatego, że drogi ścieżki elektronowej są różne, nie jest to powód, dla którego te ostatnie zużywają mniej energii cieplnej.

Kontynuujmy hipotetyczne pytania. Czy możemy wybrać coś zupełnie innego niż procesory i zobaczyć, jak się kontrastują? Wyobraźmy sobie zaparkowany samochód na drodze. Jeśli popchnę samochód do przodu, praca wykonana przeze mnie (energia dostarczona przeze mnie) przekształca się w dwie rzeczy: a) nowy pęd samochodu ib) ciepło z powodu tarcia opony / drogi. Chwileczkę, mówisz, pęd samochodu. Widzę coś fizycznego, co wydarzyło się wyłącznie dlatego, że wydałem na to energię (minus ciepło / tarcie). Ciepło z tarcia jest tracone (podobnie jak ciepło procesora), ale generowany pęd jest nadal przydatny (powiedzmy, ładowanie akumulatora elektrycznego w samochodzie podczas regeneracji hamowania). Przydatność procesora polega na operowaniu pewnymi informacjami (pewnymi układami bitów) i generowaniu zestawu nowych informacji (wejściowych i wyjściowych bitów binarnych); informacje są jednak abstrakcyjne; nie fizyczny. Przydatność samochodu jest w świecie fizycznym. Informacje dotyczą procesora, podczas gdy świat fizyczny dotyczy samochodów. Oba emitują ciepło, gdy robią coś pożytecznego dla nas, ale samochody robią jeszcze jedną rzecz: fizycznie nas poruszają. Co robi CPU w świecie fizycznym poza wytwarzaniem ciepła? Nic. To kolejny sposób, aby zobaczyć, jak procesory przetwarzają całą energię elektryczną na ciepło i nic więcej.

Chwileczkę, to właściwie oznacza; Czy mogę używać procesorów jako palników? Co jeśli mój palnik elektryczny jest zamiast tego procesorem i położyłem na nim patelnię, aby ugotować obiad. Obstawiasz! Dostajesz dwie rzeczy: obliczanie żywności i informacji przy takim samym koszcie energii! Po prostu bardzo drogi palnik!

Rozumiem, że zdecydowana większość zużycia energii przez procesor jest wytwarzana w postaci ciepła. Aby wykonać pracę, system fizyczny przekształca lub przenosi energię - procesor działa, przekształcając energię elektryczną w ciepło, zmieniając wielokrotnie swój stan wewnętrzny po drodze (tak więc część energii jest skutecznie magazynowana przez pewien czas).

Uwaga: mój praktyczny trening elektroniki i fizyki skończył się w wieku około 20 lat ponad dziesięć lat temu, chyba że liczysz czytanie Nowego Naukowca, więc przechodzący fizyk może zaraz powiedzieć mi, że całkowicie się mylę!

Respondent Eariler wskazał, że prawie wszystko kończy się w upale. To prawie poprawne. W rzeczywistości cała moc pobierana jest ostatecznie jako ciepło. Fan był dobrym przykładem. Wentylator zamieni energię w ruchome powietrze (= energia kinetyczna), jednak ruchome powietrze zostanie zatrzymane przez tarcie z otaczającym powietrzem, co zamieni jego energię kinetyczną w ciepło. Ta sama koncepcja dotyczy światła z monitora itp. Jeśli umieścisz system komputerowy pobierający 250 watów mocy w zamkniętym pomieszczeniu, wynik netto będzie taki sam, jak umieszczenie 250-watowego grzejnika w pomieszczeniu.

Obliczenia to ciepło. Chociaż oczywiście nie całe ciepło jest obliczeniem. Więc jedyna logiczna odpowiedź na; Ile stracił na ciepło? Odpowiedź na to wszystko.

Obliczenia są zorganizowane ciepło. W formie danych. To, co uważamy za ciepło odpadowe, to po prostu zdezorganizowane dane, które nie są wykorzystywane do obliczeń.

Chciałem odpowiedzieć na ten komentarz powyżej: „Pomyśl o prostym obwodzie elektrycznym: urządzeniu (dowolnym urządzeniu) podłączonym do akumulatora. Dokąd idzie prąd? Nie zatrzymuje się na urządzeniu; niektóre z nich służą do robienia czegokolwiek tak jest w przypadku urządzenia, ale reszta biegnie dalej przewodem z powrotem do akumulatora (stąd obwód zamknięty). ”

Ten komentarz jest poprawny, jeśli mówimy o prądzie elektrycznym; przepływa przez obwód (działa również jako rozpraszanie ciepła) i wraca do akumulatora (lub źródła zasilania). Prąd tutaj odnosi się w rzeczywistości do przepływu elektronów.

Oryginalny plakat dotyczył jednak rozpraszania ciepła, czyli energii. Rozpraszane ciepło / energia nie wraca do akumulatora. Energia jest zużywana z akumulatora i całkowicie rozpraszana przez ciepło w procesorze. Prąd elektryczny to inna sprawa.

Tak tak, procesor przekształca dużą część energii elektrycznej, którą pochłania, w ciepło. Wszyscy to wiemy; dlatego teraz mamy tak szalone urządzenia chłodzące podłączone do procesora.

Jednak brakuje Ci najbardziej podstawowej zasady elektroniki.

Twoja debata sprawia, że ​​brzmi to tak, jak gdy elektryczność dostaje się do światła lub silnika, wszystko to jest przekształcane w światło lub energię kinetyczną, co nie jest prawdą. Pomyśl o prostym obwodzie elektrycznym: urządzeniu (dowolnym urządzeniu) podłączonym do baterii. Gdzie idzie prąd? Nie zatrzymuje się na urządzeniu; część z nich służy do robienia tego, co robi urządzenie, ale reszta biegnie drutem z powrotem do akumulatora (stąd obwód zamknięty ).

Komputer nie jest inny. Nośniki ładunków wchodzą przez sieć, wchodzą do zasilacza, a następnie do procesora, gdzie wykonują swoją pracę, wytwarzają ciepło podczas procesu, a następnie reszta wychodzi, wraca do zasilacza i wraca do sieci.

Ian Boyd miał dobry początek, wskazując na tranzystor , ale nie podał namacalnego wyjaśnienia, do czego dokładnie służy energia elektryczna („wypłata” urządzenia, szczególnie jako analogia do ruchu wentylatora lub światło LED). Możesz zrobić trochę badań nad tym, jak działa tranzystor, aby naprawdę to zrozumieć, ale wystarczy powiedzieć, że energia elektryczna jest używana do fizycznej zmiany układu atomowego części tranzystora, aby umożliwić lub zablokować przepływ elektronów. To prawda, że ​​jego „akcja” nie jest tak wyraźna ani oczywista jak ruch czy światło, ale energia jest nadal wykorzystywana do robienia czegoś (i jak wspomniał Ian, powstaje wiązka ciepła, kiedy przepychasz atomy). Widziałem kilka zdjęć SEM bramki procesora w akcji, która naprawdę pomaga w wizualizacji rzeczy; jeśli mogę znaleźć, dodam go.