Де витрачається електроенергія в комп’ютері?

Сьогодні ми провели дивну дискусію під час обіду: що саме спричиняє споживання енергії в комп’ютері, особливо в процесорі? ( ETA: З зрозумілих причин мені не потрібно пояснення, чому жорсткий диск, дисплей або вентилятори споживають енергію - ефект там досить очевидний. )

Цифри, які ви зазвичай бачите, свідчать про те, що лише відсоток (хоча і великий) споживання енергії закінчується теплом. Однак що саме відбувається з рештою? Процесор не є пристроєм, який механічно переміщує частини, випромінює світло або використовує інші способи перетворення енергії. Збереження енергії диктує, що вся енергія, яка надходить, повинна кудись виходити, і для чогось подібного до процесора я серйозно не можу уявити, що цей вихід є не що інше, як тепло.

Нам, що не школярам з інформатики, а не електротехніки, звичайно, не допомогло точно відповісти на питання.

Електрони виштовхуються навколо, що вимагає роботи. А електрони відчувають "тертя", коли вони рухаються, потребуючи більше енергії.

Якщо ви хочете підштовхнути електрони до переходу PNP, щоб увімкнути його, для цього потрібна енергія. Електрони не хочуть рухатися, і вони не хочуть рухатися ближче один до одного; ви повинні подолати їх взаємне відштовхування.

Візьміть найпростіший процесор, єдиний, одинокий, транзистор:

Електрони втрачають енергію, коли вони б'ються навколо, генеруючи тепло. А для подолання електричних полів притягання та відштовхування потрібна енергія.

Є цікава стаття у Вікіпедії про принцип Ландауера, про який йдеться (цитата):

"будь-яке логічно незворотне маніпулювання інформацією, наприклад, стирання біта або злиття двох контурів обчислень, повинно супроводжуватися відповідним збільшенням ентропії неінформаційних ступенів свободи апарату обробки інформації або його середовища"

Це означає, що (цитата):

Зокрема, кожен біт втраченої інформації призведе до виділення кількості kT ln 2 тепла, де k - константа Больцмана, а T - абсолютна температура контуру.

Ще цитую:

Оскільки, якби кількість можливих логічних станів обчислення зменшувалася в міру того, як обчислення йшло вперед (логічна незворотність), це означало б заборонене зменшення ентропії, якщо тільки кількість можливих фізичних станів, що відповідають кожному логічному стану, одночасно збільшуватиметься хоча б компенсуючою сумою, щоб загальна кількість можливих фізичних станів була не меншою, ніж спочатку (загальна ентропія не зменшилася).

Отже, як наслідок другого закону термодинаміки (і Ландауера), деякі типи обчислень неможливо виконати без отримання мінімальної кількості тепла, і це тепло не є наслідком внутрішнього опору ЦП.

Ура!

Щоб додати до інших відмінних відповідей:

Цифри, які ви зазвичай бачите, свідчать про те, що лише відсоток (хоча і великий) споживання електроенергії закінчується теплом. Однак що саме відбувається з рештою?

Насправді майже все закінчується теплом. Згідно із законом збереження енергії , вся енергія (що потужність множиться на час) має в кінцевому підсумку де - то. Практично всі процеси всередині комп'ютера перетворюють енергію в тепло, прямо чи опосередковано. Наприклад, вентилятор перетворить енергію в рухоме повітря (= кінетична енергія), однак рухоме повітря буде зупинено тертям з навколишнім повітрям, що перетворить його кінетичну енергію в тепло.

Те ж саме стосується випромінювання (світло від монітора, випромінювання ЕМ від усіх електричних компонентів) та звук (шум, звук від гучномовців), який виробляє комп'ютер: вони теж будуть поглинатися і перетворюватися в тепло.

Якщо ви читаєте про "відсоток", який закінчується теплом, то, можливо, це стосується лише джерела живлення. Блок живлення дійсно повинен перетворювати великий відсоток свого входу в електричну енергію, а не в теплову енергію (хоч і сам виробляє тепло). Потім ця енергія перетвориться на тепло в решту комп'ютера :-).

Багато цього також стосується переміщення вашого жорсткого диска та вентиляторів та освітлення монітора.

Деякі з них спрямовані на передачу даних по мережі. Подумайте, яка потужність потрібна для цього великій радіостанції. Комп'ютер робить те саме, що і з мережевими даними, навіть якщо це значно менший масштаб по лінії Ethernet або Wi-Fi антені.

Більше того, шляхи всередині процесора та материнської плати працюють майже так само, як і мережеві передачі. Щоб рухати електрони вниз по цих контурах, потрібна енергія. Електрон може не мати великої маси, але ви рухаєте їх мільярдами і робите це мільярди разів за секунду.

Є також енергія, яка використовується для вмикання та вимикання бітів пам'яті, плюс пам'ять процесора повинна продовжувати використовувати енергію для підтримки поточної пам'яті навіть тоді, коли більше нічого не обробляється. Мені не вдалося знайти фігури, але ти мене зараз зацікавив, тому якщо я щось знайду, я додам його.

Я дизайнер процесора. Дозвольте надати найпростіше пояснення, про яке я можу придумати.

"Вся електрична енергія перетворюється на тепло".

Ви можете запитати; якщо вся електрична енергія перетворюється на тепло, хто забезпечує енергію для обчислення?

"Усі електричні обчислення розсіюють теплову енергію."

У ЦП (або будь-якій іншій напівпровідниковій схемі) для електричних обчислень потрібні дві речі:

• Спосіб передачі інформації з одного місця в інше (думки проводів)
• Спосіб дії на інформацію (мислити транзисторами)

Проводи в реальному світі витрачають теплову енергію, оскільки вони мають ненульовий опір; транзистори також витрачають теплову енергію, оскільки електрони (і дірки) натикаються один на одного і атоми викликають тепло.

Ви можете запитати: так що мій електричний пальник витрачає всю електричну енергію як тепло, але він не обчислює. Чому інший спосіб правдивий (розрахунок витрачання теплової енергії).

Це пояснюється тим, що електрони течуть у конфорці випадковим чином без певного шляху (не корисно для обчислення), але в процесорі електрони протікають за точно визначеним шляхом (корисним для обчислення), продиктованим конструкцією HW / ланцюга. Так чи інакше, електрони рухаються навколо, викликаючи тепловіддачу. Іншими словами, єдина відмінність пальника від центрального процесора полягає в тому, що колишній не має конкретних електричних шляхів для протікання електронів, а другий; тільки тому, що шляхи руху електронів різні, це не є причиною для останніх витрачати менше теплової енергії.

Давайте продовжимо гіпотетичне опитування. Чи можемо ми вибрати щось дуже відмінне від процесорів і побачити, як вони контрастують? Давайте уявимо припарковану машину на дорозі. Якщо я штовхну автомобіль вперед, виконана мною робота (подана мною енергія) перетворюється на дві речі: а) новий імпульс автомобіля і б) нагрівання через тертя шини / дороги. Почекай хвилинку, кажеш, імпульс автомобіля. Я бачу щось фізичне, що сталося тільки тому, що я витратив енергію на це (мінус тепло / тертя). Тепло від тертя втрачається (як і тепло процесора), але імпульс, який генерується, все ще корисний (скажімо, заряджання електричного акумулятора в автомобілі під час регенерації зламу). Корисність процесора полягає в роботі над деякою інформацією (певна композиція бітів) та генеруванні набору нових фрагментів інформації (вхідних та вихідних бінарних біт); інформація абстрактна; не фізичний. Корисність автомобіля у фізичному світі. Інформація призначена для процесора, а фізичний світ - для автомобілів. Обидва випромінюють тепло, коли роблять щось корисне для нас, але машини роблять ще одне: вони фізично пересувають нас. Що робить процесор у фізичному світі, крім тепла? Нічого. Просто ще один спосіб побачити, як процесори перетворюють всю електричну енергію в тепло і більше нічого.

Почекайте хвилинку, це фактично означає; Я можу використовувати процесори як пальники? Що робити, якщо мій електричний пальник замість цього процесора, і я поставив над ним каструлю для приготування їжі. Будьте впевнені! Ви отримуєте дві речі: обчислення продуктів харчування та інформації з однаковими витратами на енергію! Просто дуже дорогий пальник!

Я розумію, що переважна більшість енергоресурсів, що використовуються процесором, виробляється як тепло. Для роботи фізична система перетворює або переміщує енергію - процесор працює, перетворюючи електричну енергію в тепло, багато разів змінюючи свій внутрішній стан (тому частина енергії ефективно зберігається протягом певного часу).

Caveat: мої практичні заняття з електроніки та фізики припинилися приблизно у віці 20 років понад десятиліття тому, якщо ви не рахуєте читання "New Scientist", тож фізик, що проходить, може мені сказати, що я абсолютно помиляюся!

Респондент-вуха зазначив, що майже все закінчується теплом. Це майже правильно. Насправді, все введена потужність закінчується теплом. Вентилятор був хорошим прикладом. Вентилятор перетворить енергію в рухоме повітря (= кінетична енергія), однак рухоме повітря буде зупинено тертям з навколишнім повітрям, що перетворить його кінетичну енергію в тепло. Ця ж концепція стосується світла від монітора і т. Д. Якщо ви помістите в комп'ютерну систему комп'ютерну систему потужністю 250 Вт, чистий результат такий же, як і встановлення нагрівача на 250 ват в кімнаті.

Обчислення - це тепло. Хоча, звичайно, не все тепло - це обчислення. Тож єдина логічна відповідь на; Скільки втрачено тепла? Відповідь - це все.

Розрахунок - це організоване тепло. У формі даних. Те, що ми вважаємо відпрацьованим теплом, - це лише неорганізовані дані і не використовуються для обчислення.

Я хотів відповісти на цей коментар вище "Подумайте про просту електричну ланцюг: пристрій (будь-який пристрій), приєднаний до акумулятора. Куди йде електроенергія? Він не зупиняється на пристрої; частина цього використовується для того, щоб робити що завгодно це пристрій робить, але решта продовжується по дроту, назад до акумулятора (звідси замкнута схема) ".

Цей коментар правильний, якщо ми говоримо про електричний струм; він протікає по ланцюгу (працює так, як розсіює тепло) і повертається назад до акумулятора (або джерела живлення). Струм тут насправді має на увазі потік електронів.

Однак оригінальний плакат мав на увазі тепло, яке розсіюється енергією. Тепло / енергія, що розсіюється, не повертається до акумулятора. Енергія споживається від акумулятора і повністю розсіюється через тепло в процесорі. Електричний струм - інша справа.

Так, так, процесор перетворює багато електроенергії, яку він поглинає в тепло. Ми всі це знаємо; ось чому у нас зараз такі божевільні пристрої охолодження приєднані до процесора.

Однак ви пропускаєте найосновніший принцип електроніки.

Ваші дебати виглядають так, як коли електрика потрапляє у світло або двигун, все це перетворюється на світло або кінетичну енергію, що не так. Подумайте про просту електричну схему: пристрій (будь-який пристрій), приєднаний до акумулятора. Куди йде електрика? Він не зупиняється на пристрої; частина використовується для того, щоб робити все, що робить пристрій, а решта триває по дроту, назад до акумулятора (отже, замкнутого контуру ).

Комп’ютер нічим не відрізняється. Носії заряду заходять через електромережу, входять у блок живлення, потім до центрального процесора, де вони виконують свою роботу, створюють тепло в процесі, потім решта виходить назад, назад до блоку живлення, і назад до мережі.

Йен Бойд добре розпочав, вказуючи на транзистор , але не дотримувався цього з відчутним поясненням, для чого саме використовується електроенергія ("розплата" пристрою, зокрема як аналогія руху вентилятора чи світло світлодіода). Ви можете зробити невелике дослідження того, як працює транзистор, щоб реально його зрозуміти, але достатньо сказати, що електроенергія використовується для фізичного зміни атомного розташування частини транзистора, щоб дозволити або блокувати потік електронів. Зазначене його "дію" не є настільки ясним чи очевидним, як рух чи світло, але енергія все одно використовується для того, щоб щось робити (і, як згадував Іан, купа тепла створюється, коли ти штовхаєш атоми навколо). Я бачив кілька фотографій SEM вхідних процесорів, які дійсно допомагають візуалізувати речі; якщо я зможу знайти його, я додам його.