CPU-Wärme zur Stromerzeugung nutzen

22

Ich habe Tanenbaums Structured Computer Organization gelesen und er sagt, einer der größten Engpässe bei der Erhöhung der CPU-Taktrate sei die Hitze. Also begann ich zu überlegen: Ist es möglich, den Kühlkörper komplett zu entfernen und diese Wärme zu nutzen, um mehr Strom zu erzeugen? Ich habe danach gesucht und diese thermoelektrischen Materialien und diesen thermoelektrischen Generator gefunden :

Thermoelektrisches Generatorkonzept auf Wikipedia gefunden

Ich habe in diesem Wikipedia-Artikel gelesen, dass "Silizium-Germanium-Legierungen derzeit die besten thermoelektrischen Materialien bei 1000 ° C sind (...)" , und ich weiß, dass die CPU normalerweise bei 30 bis 40 ° C arbeitet. Um auf 1000 ° C zu kommen, wären also mehr CPUs erforderlich.

Also dachte ich: Wie wäre es, wenn viele CPUs ohne Kühlkörper parallel geschaltet würden, um mehr Wärme zu sammeln? Wir können diese CPUs auch stark übertakten und sehen, wie viel Wärme sie erzeugen können.

Aber ich stecke fest. Ich weiß nicht, was ich als nächstes denken soll. Ich weiß nicht einmal, ob es eine gute Gedankenrichtung ist.

Meine Frage ist: Warum nicht eine Art Kühlkörper entwickeln, der aus der Wärme der CPU Strom erzeugt? Ich weiß, dass schon jemand darüber nachgedacht und sich überlegt hat, warum ich es nicht tun soll, aber ich kann es nicht herausfinden.

Warum ist das nicht möglich?


EDIT zur Verdeutlichung: Ich möchte nicht, dass CPUs bei 1000 ° C arbeiten. Ich werde meine Argumentationsschritte auflisten (die nicht unbedingt korrekt sind), die ungefähr so ​​lauteten:

  1. Der CPU-Takt wird durch die Arbeitstemperatur (T) begrenzt.
  2. CPUs erzeugen Wärme. Hitze lässt T steigen.
  3. Kühlkörper kümmern sich um diese Wärme, um T = 40 ° C zu halten.
  4. Ersetzen Sie den Kühlkörper durch einen thermoelektrischen Generator (aus SiGe oder einem ähnlichen Material)
  5. Stellen Sie viele CPUs nebeneinander, um die Wärmeerzeugung zu erhöhen.
  6. Die CPU wird durch Wärme an TEG abgegeben, sodass die CPU bei T = 40 ° C bleibt.
  7. Ist das möglich?
  8. Wie baue ich ein solches TEG? Welches Material soll verwendet werden?
  9. Warum gibt es ein solches Gerät noch nicht?
  10. Hat diese Frage gestellt.

EDIT2: Ich sehe, dass meine Idee grundsätzlich falsch und schlecht ist. Vielen Dank für alle Antworten und Kommentare. Entschuldigen Sie etwaige Missverständnisse.

Enzo Ferber
quelle
11
Wie schlagen Sie vor, dass Ihre CPUs bei 1000 ° C arbeiten?
PlasmaHH
34
Zwei CPUs mit jeweils 50 ° entsprechen nicht einer CPU mit 100 °.
Hearth
12
Sie tun es nicht. Stellen Sie sich das so vor: Wenn die Ostseite Ihres Raumes 20 ° C und die Westseite Ihres Raumes 20 ° C beträgt, beträgt Ihr Raum insgesamt 20 ° C, nicht 40 ° C oder ähnliches.
Hearth
11
@EnzoFerber: ok, ich gebe auf, du weißt, dass die CPU dadurch zerstört wird, dass sie gelbglühend wird, aber gleichzeitig möchtest du sie gelbglühend werden lassen und arbeiten. Vielleicht haben die Jungs von Scifi und Fantasy SE etwas Magie, die für Sie funktioniert.
PlasmaHH
6
Mir ist aufgefallen, dass niemand geantwortet hat, was ich für die wirkliche Lösung halte, also füge ich meine Meinung hinzu. Um Energie zu erzeugen, kann man keine Wärme verwenden. Sie brauchen Wärme DIFFERENTIAL. Da die CPU auf einer festen Temperatur bleiben muss (über 100 ° C verhält sie sich schlecht), besteht die einzige Möglichkeit zur Energieentnahme darin, den Kühlkörper kühler zu machen. Die zum Kühlen des Kühlkörpers erforderliche Energie ist jedoch höher als die, die Sie extrahieren können. Sie können X-Energie extrahieren, aber nur Y> X-Energie bereitstellen. Also ... Keine Stromerzeugung, sorry ...
Frarugi87

Antworten:

13

tl; dr Ja, können Sie eine kleine Menge an Energie von einer Abwärme der CPU extrahieren, aber Ihre Kühlkörper muss je größer desto mehr Energie , die Sie extrahieren möchten sein.

Erklärung gibt es keine Maschine , die in Strom umwandelt erhitzt, nur Maschinen , die convert Wärmedifferenzin die Macht. In Ihrem Fall ist dies der Unterschied zwischen der CPU-Temperatur und der Umgebungstemperatur. Der maximale theoretische Wirkungsgrad für diesen Prozess beträgt (1 - T_cold / T_hot). Bei einer Umgebungstemperatur von 25 ° C, einer CPU-Temperatur von 40 ° C und einem Wärmestrom von 50 W könnten Sie also mit einem idealen Konverter 2,4 Watt Strom erzeugen (Die Temperaturen sind absolute Temperaturen in Kelvin). Wenn Sie der CPU erlauben, 60 ° C zu erreichen, können Sie bis zu 5 Watt erreichen, und wenn Sie 100 ° C erlauben, können Sie bis zu 10 Watt erreichen. Reale Wärme-Leistungs-Wandler sind ineffizienter, insbesondere thermoelektrische Elemente. Ich würde einen Stirlingmotor empfehlen, der dem idealen Wirkungsgrad näher kommt.

So fließt Wärme mit einem passiven Kühlkörper:

[CPU] --> [Environment]

Die Verbindung zwischen CPU und Umgebung hat einen Wärmewiderstand, der in Kelvin / Watt gemessen wird und direkt der Messung des elektrischen Widerstands in Volt / Ampere entspricht. In einigen Datenblättern sind möglicherweise Kelvin / Watt-Werte aufgetreten. Ein idealer Kühlkörper hat einen Widerstand von Null, daher beträgt die Temperaturdifferenz 0 und die CPU arbeitet bei Umgebungstemperatur (25 ° C). Bei einem realen Kühlkörper von 0,5 K / W und einem Wärmestrom von 50 W (die CPU erzeugt 50 W Wärme) beträgt die Temperaturdifferenz 25 K und die CPU 50 ° C.

So fließt die Wärme mit Ihrer vorgeschlagenen Maschine:

[CPU] --> [Hot end of machine] --> [Cold end of machine] --> [Environment]

An allen drei Stellen gibt es Wärmewiderstände, dh Temperaturunterschiede. Nehmen wir an, die Verbindung zwischen der CPU und dem heißen Ende der Maschine ist ideal, dh sie haben die gleiche Temperatur. Der Wärmewiderstand in der Maschine wird zur Stromerzeugung genutzt. Der Wärmewiderstand zwischen dem kalten Ende und der Umgebung ist durch den kalten Ende-Kühlkörper gegeben.

Angenommen, der Kühlkörper am kalten Ende ist derselbe, den wir für die CPU verwendet haben, mit 0,5 K / W, und wir möchten, dass die CPU 50 ° C hat. Dann hat das kalte Ende der Maschine bereits 50 ° C. und es kann kein Temperaturunterschied über der Maschine bestehen, dh es kann kein Strom erzeugt werden. Wenn wir einen Kühlkörper verwenden, der zweimal groß war (0,25 K / W), liegt das kalte Ende bei 37,5 ° C und die Temperaturdifferenz über der Maschine beträgt 12,5 ° C, sodass ein wenig Strom erzeugt werden kann.

Jede Maschine, die Energie aus einem Temperaturunterschied zieht, weist einen Wärmewiderstand von gleich auf (temperature difference)/(Heat flow). Der Wärmewiderstand der Maschine wird zum Wärmewiderstand des Kühlkörpers addiert, sodass die CPU-Temperatur immer höher ist, wenn sich eine Maschine dazwischen befindet.

Übrigens: Einige Overclocker gehen den umgekehrten Weg: Sie fügen ein umgekehrt laufendes thermoelektrisches Element hinzu, das mit Strom Wärme von der CPU zum Kühlkörper pumpt und so eine negative Temperaturdifferenz erzeugt. Die CPU befindet sich am kalten Ende und der Kühlkörper am heißen Ende.

Übrigens: Aus diesem Grund haben Kernkraftwerke enorme Kühltürme, die als Cold-End-Kühlkörper fungieren.

Mäuse
quelle
2
+1 die einzige Antwort, die sich bisher mit dem eigentlichen Problem befasst, anstatt sich auf Nebenwirkungen zu konzentrieren.
Agent_L
1
Ich habe gehört, dass ein Dampfkessel ein ziemlich gutes Gerät ist, um Energie allein aus Wärme zu gewinnen. Natürlich müssen Sie die Siedetemperatur überschreiten, um Dampf zu erzeugen, der dann nützlich wäre, wenn Ihr Halbleiter kocht. Theoretisch könnte man ein Niederdrucksystem verwenden, um den Siedepunkt zu senken. Kaum wert für ein paar Dutzend Watt gedacht. In WRT-Kernkraftwerken können Sie die Abwärme im Kühlkreislauf definitiv nutzen, um z. Diese schlechten Atome springen vom Kühlwasser zum Heizwasser, wie jeder gedacht hat.
Barleyman
@nocomprende: Du hast natürlich recht. Ich habe geklärt.
mic_e
1
@Barleyman: Wohnraumheizung ist ein cleverer Kühlkörper, weil man dafür Geld verlangen kann. Dies ist jedoch unzuverlässig, da Ihre Kunden im Sommer Ihre Wärme nicht senken. Daher benötigen Sie Türme als Backup. Für die Beheizung von Wohngebäuden sind mindestens 60 ° C erforderlich, sodass das kalte Ende nicht unter 60 ° C abgekühlt werden kann. Beachten Sie: Je niedriger die Temperatur des kalten Endes, desto höher der Wirkungsgrad.
mic_e
1
+1 für die Antwort, um alle anderen Antworten zu beenden. :) Schade, dass eine andere Antwort (die in Ordnung ist, aber mit viel weniger Details) akzeptiert wurde.
AnoE
32

Das Problem bei thermoelektrischen Generatoren ist, dass sie entsetzlich ineffizient sind.

Für eine CPU MÜSSEN Sie die Hitze loswerden, die sie produzieren oder sie schmelzen.

Sie könnten ein Peltier-Modul anschließen und eine kleine Menge Strom daraus gewinnen, müssten aber den Rest der Wärme über eine klassische Wärmeaustauschmethode abführen. Die erzeugte Strommenge wäre wahrscheinlich nicht signifikant genug, um die Kosten des Aufbaus zu rechtfertigen.

Sie können auch Peltiere als Kühler verwenden. Sie müssen jedoch Strom HINZUFÜGEN, um die Wärme abzupumpen. Diese Energie muss dann zusammen mit der Wärme, die Sie über den Wärmetauscher abführen, abgeführt werden. Letztere muss am Ende größer sein, damit Ihr Nettoeffekt schlechter wird.

Wärme an die Macht ist eine "Heiliger Gral" -Idee und setzt sich dort oben mit kalter Verschmelzung als theoretischem Traum auseinander.

Aus Gründen der Klarheit herausgegeben

Effiziente DIREKTE Umwandlung von Wärme in Elektrizität ist eine "Heiliger Gral" -Idee und setzt auf kalte Fusion als theoretischen Traum.

Trevor_G
quelle
7
Heat-to-Power ist nicht nur ein theoretischer Traum. Genau das macht jeder Verbrennungsmotor, jede Dampfturbine, jedes Strahltriebwerk. Bei der Temperatur, bei der CPUs arbeiten, ergibt das einfach keinen Sinn. Außerdem muss der OP den Unterschied zwischen Wärme und Temperatur lernen.
Dave Tweed
5
Der Wärmeinhalt des Ausgangsfluids ist immer geringer als der Wärmeinhalt des Eingangsfluids, weshalb alle von mir aufgelisteten Geräte allgemein als "Wärmekraftmaschinen" eingestuft werden und ihr Gesamtwirkungsgrad durch bekannte Gesetze der Thermodynamik begrenzt ist . Ein Peltier-Gerät unterliegt denselben Gesetzen, ist jedoch anfangs notorisch ineffizient.
Dave Tweed
3
@ Trevor Druck ist ein Ergebnis der Anwendung von Wärmeenergie. Im Wesentlichen ist Druck ihr technisches Mittel, um auf Wärmeenergie zuzugreifen . Die Temperatur ist definiert als die durchschnittliche kinetische Energie. Sie haben also in gewisser Weise die richtige Vorstellung, aber Sie sind in Bezug auf Ursache und Wirkung falsch, solange Sie von einem Motor und nicht von einem Kompressor sprechen.
Chris Stratton
10
Es mag schwierig sein, nützliche elektrische oder mechanische Energie daraus zu gewinnen, aber "CPU-Abwärme bei etwas mehr als Raumtemperatur" kann Sie im Winter warm halten - das ist die Idee des "Datenofens".
Chris Stratton
2
@Christoph: Nun, in großen Rechenzentren haben Sie genau diese Situation. Wärmepumpen (Klimaanlagen) werden verwendet, um aktiv Wärme aus dem Rechenzentrum zu pumpen, damit das Rechenzentrum leichter gekühlt werden kann, und niemand kümmert sich um den enormen Stromverbrauch.
mic_e
19

Für die Stromerzeugung möchten Sie, dass die heiße Seite (Prozessor) so heiß wie möglich ist, um maximale Effizienz zu erzielen. Der Wärmegenerator verlangsamt die Bewegung der Wärme, indem er ihr Energie entzieht.

Für die Berechnung soll der Prozessor so kalt wie möglich sein. Höhere Temperaturen erhöhen den elektrischen Widerstand des Siliziums. Aus diesem Grund haben Sie gut leitende Kühlkörper, Lüfter usw., um die Wärme so schnell wie möglich abzuleiten.

Diese Anforderungen widersprechen sich unmittelbar.

pjc50
quelle
6
Oder anders ausgedrückt, Sie müssten die CPU deutlich schlechter arbeiten lassen, um auch nur eine geringe Menge an Strom zu gewinnen. Das ist ein Verlustgeschäft. Wenn Sie es tolerieren können, dass die CPU schlechter arbeitet, ist es besser, wenn Sie zunächst nur weniger Leistung bereitstellen, als viel zusätzliche Leistung bereitzustellen, nur um sie heiß zu machen, damit Sie einen winzigen Bruchteil davon wiederherstellen können.
David Schwartz
1
Tatsächlich ist Silizium das Gegenteil von Metall - Die Beständigkeit nimmt mit steigender Temperatur ab . Hohe Temperaturen verursachen jedoch Geräusche und niedrige Widerstände verursachen andere Probleme. Beide verursachen CPU-Fehler.
Tom Leys
2
@gmatht Es gibt bereits Experimente mit Rechenzentren tief in den Ozeanen. Für Cloud-Cluster sieht es recht vielversprechend aus - die Kühlung auch großer Serverfarmen ist bei diesen Umgebungstemperaturen fast trivial, und das Wasser kann viel Wärme leicht abführen. Ich vermute, Pluto wäre eher unpraktisch, selbst wenn wir uns nur um die Temperatur und nicht um die anderen praktischen Schwierigkeiten
kümmern würden
2
@ TomLeys, das ist eine Vereinfachung. Bei undotierten Halbleitern nimmt der Widerstand mit der Temperatur ab. Mit dotierten Halbleitern kann es in beide Richtungen gehen.
Peter Green
1
@gmatht Ein Rechenzentrum auf Pluto müsste sich mit der Tatsache auseinandersetzen, dass es auf Pluto fast keine Atmosphäre gibt, sodass die Wärmeabgabe nur durch Strahlung erfolgen kann, was im Vergleich zu anderen Methoden sehr ineffizient ist. Oder meintest du vielleicht Pluto, den Hund von Mickey Mouse? :) In diesem Fall müsste es wohl mit den Isolationseffekten von Hundefellen zu kämpfen haben, die beachtlich sind!
ein Lebenslauf am
18

Überrascht, dass niemand anderes dies erwähnt hat:

Die Erzeugung von Strom aus der Abwärme eines brennbaren Prozesses kann sinnvoll sein. Strom aus der Abwärme eines Stromnetzes erzeugen? Das macht keinen Sinn. Wenn Sie auf diese Weise Energie sparen können, können Sie sogar noch mehr Energie sparen, indem Sie ein System aufbauen, das Elektrizität in erster Linie effizienter nutzt.

Solomon Slow
quelle
3
Genau. Wenn die CPU die Entnahme von Energie aus der Wärme toleriert, arbeitet sie sehr ineffizient und Sie sollten diese Ineffizienz besser ausnutzen, um weniger Strom zu verbrauchen, als einen winzigen Teil davon zu extrahieren.
David Schwartz
1
Dasselbe Argument lässt sich auf Motoren anwenden, die Kraftstoff verbrennen: Die Optimierung eines thermischen Motors bringt mehr als der Versuch, die Abwärme zu sammeln.
Dmitry Grigoryev
1
In Kraftwerken wird häufig die "Abwärme" von Gasturbinen für den Betrieb von Dampfmaschinen genutzt.
Peter Green
3
@DmitryGrigoryev: mit einer Einschränkung: KWK. Die Abwärme zu sammeln und zum Heizen anderer Dinge zu verwenden, ist fantastisch effektiv.
Whatsisname
2
Meta-Kommentar: Wahrscheinlich hat noch niemand darüber nachgedacht, diese Antwort zu geben, da sie nicht Teil der Frage ist. Tatsache ist, dass CPUs Wärme erzeugen. Das OP stellt dies der Vollständigkeit halber fest oder um den Kontext der Frage zu bestimmen. Das OP fragt nicht , wie / ob dies vermieden werden kann. Die Frage ist, ob die vorgegebene Wärme zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Daher ist es nicht sinnvoll, (im Zusammenhang mit dieser Frage) die Vermeidung von Hitze vorzuschlagen.
AnoE
2

Die Gesetze der Thermodynamik besagen, dass das Zusammenführen von zwei Energiequellen gleicher Temperatur kein höheres Energieniveau bedeutet. Wenn Sie beispielsweise eine Tasse heißes Wasser in eine andere Tasse heißes Wasser gießen, wird die Kombination nicht heißer als die einzelnen Tassen.

Wärme ist auch eine der niedrigsten Energieformen, da man damit sehr wenig anfangen kann. Strom kann Stromkreise führen, Wind kann mechanische Bewegung erzeugen, aber Wärme kann nicht viel anderes tun, als mehr Energie in eine Flüssigkeit oder einen Feststoff zu stecken.

Das heißt, die am besten geeignete Methode, um Energie aus Wärme zu gewinnen, ist das Kochen einer Flüssigkeit (z. B. Wasser), um eine Turbine anzutreiben. Wenn Sie mehrere Kühlkörper zusammenbauen und an eine Wanne anschließen, kann das Wasser kochen, wenn die CPU-Temperaturen alle über 100 ° C liegen. Aber wie Sie wahrscheinlich schließen können, ist dies eine schreckliche Idee.

Mr. Cheezits
quelle
Erste nutzbare Energie aus einem Wärmegefälle ist einfach genug - aber die Effizienz steigt , wenn die Differenz wird breiter. So funktionieren zB Verbrennungsmotoren, und deshalb versucht ein thermodynamischer Motor so heiß wie möglich zu werden, während die andere Seite so kalt wie möglich bleibt. Der Gradient zwischen einer 50 ° C-CPU und ihrer 25 ° C-Umgebung bietet nicht viel Gelegenheit, nützliche Energie zu gewinnen - tatsächlich ist es eine Herausforderung, die CPU ausreichend zu kühlen, und eine Wärmekraftmaschine würde dies nur noch verschlimmern.
Luaan
Es ging nicht um Effizienz, sondern um Praktikabilität. Das Kochen von Wasser mit der Abwärme einer CPU ist unabhängig vom Temperaturgradienten nicht praktikabel.
Mr. Cheezits
2
Sicher kochendes Wasser bei Raumtemperatur. Aber niemand sagt, dass es Wasser sein muss und dass es Raumdruck sein muss - es gibt viele Dinge, die einen geeigneten Siedepunkt haben würden. Wir verwenden abhängig von den Bedingungen eine Vielzahl unterschiedlicher Kühlmittel - einschließlich der mittlerweile beliebten Heatpipes, die tatsächlich zur Kühlung von CPUs verwendet werden. Dabei wird ein wasserdampfendes Kühlmittel mit niedrigem Druck verwendet, das die Wärmeleitung des Gehäuses bei weitem übertrifft. Effizienz und Kosten sind alles, was zählt - selbst einen kleinen Teil der Energie in einem so kleinen Gefälle zu gewinnen, ist unpraktisch teuer.
Luaan
2

Lustiges Denken, aber nein. Ihre CPU ist nicht nur ein Chip, sondern es handelt sich um Bonddrähte und ein Gehäuse, das bei 1000 ° C keine Chance hätte.

Davon abgesehen sind noch einige Gesetze der Thermodynamik zu beachten. Sie müssen immer noch sehr viel Energie in das System stecken, um sehr wenig herauszuholen. Das Peltier-Element, auf das Sie sich beziehen, benötigt einen großen dT (Unterschied zwischen kalter und heißer Seite). Durch einfaches Entfernen der Kühlkörper wird die "kalte" Seite auf die gleiche Temperatur wie die heiße Seite gebracht, sodass hier keine Energie mehr gewonnen werden kann. Sie müssen die kalte Seite abkühlen, was die Effizienz noch mehr beeinträchtigt. Andererseits können diese Peltier-Elemente verwendet werden, um eine Temperaturdifferenz wie beim Kühlen der CPU zu erzeugen.

wiebel
quelle
2

Theoretisch ist es möglich . Alles, was Sie brauchen, ist eine "Substanz", die Elektrizität erzeugt, wenn sich eine ihrer Oberflächen bei 40 ° C und die andere bei 20 ° C befindet.
Derzeit gibt es Thermoelemente, die genau dies tun (Wärme in Elektrizität umwandeln), jedoch bei einer viel höheren Temperatur.

Guill
quelle