Wohin fließt der Stromverbrauch in einem Computer?

Heute hatten wir eine seltsame Diskussion über das Mittagessen: Was genau verursacht den Stromverbrauch in einem Computer, insbesondere in der CPU? ( ETA: Aus offensichtlichen Gründen brauche ich keine Erklärung, warum eine Festplatte, ein Display oder Lüfter Strom verbrauchen - der Effekt ist dort ziemlich offensichtlich. )

Zahlen, die Sie normalerweise sehen, zeigen an, dass nur ein Prozentsatz (wenn auch ein großer) des Stromverbrauchs in Wärme endet. Was genau passiert mit dem Rest? Eine CPU ist (nicht mehr) ein Gerät, das Teile mechanisch bewegt, Licht aussendet oder auf andere Weise Energie umwandelt. Die Energieeinsparung gibt vor, dass die gesamte Energie, die hereinkommt, irgendwo ausgegeben werden muss, und für so etwas wie eine CPU kann ich mir ernsthaft nicht vorstellen, dass diese Ausgabe alles andere als Wärme ist.

Dass wir Informatik- statt Elektrotechnik-Studenten sind, hat sicherlich nicht dazu beigetragen, die Frage richtig zu beantworten.

Elektronen werden herumgeschubst, das erfordert Arbeit. Und die Elektronen erfahren "Reibung", wenn sie sich bewegen und brauchen mehr Energie.

Wenn Sie Elektronen in einen PNP-Übergang drücken möchten, um ihn einzuschalten, ist Energie erforderlich. Die Elektronen wollen sich nicht bewegen, und sie wollen sich nicht näher kommen; Sie müssen ihre gegenseitige Abstoßung überwinden.

Nehmen Sie die einfachste CPU, einen einzelnen Transistor:

Elektronen verlieren beim Herumstoßen Energie und erzeugen Wärme. Und die Überwindung der elektrischen Felder der Anziehung und Abstoßung erfordert Energie.

Es gibt einen interessanten Artikel auf Wikipedia über Landauers Prinzip , der besagt, dass (Zitat):

"Jede logisch irreversible Manipulation von Informationen, wie das Löschen eines Bits oder das Zusammenführen von zwei Berechnungspfaden, muss mit einer entsprechenden Entropieerhöhung der nicht informationstragenden Freiheitsgrade des Informationsverarbeitungsgeräts oder seiner Umgebung einhergehen."

Dies bedeutet, dass (Zitat):

Insbesondere führt jedes Bit verlorener Information zur Freisetzung einer Wärmemenge kT in 2, wobei k die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur der Schaltung ist.

Ich zitiere immer noch:

Wenn nämlich die Anzahl möglicher logischer Zustände einer Berechnung mit fortschreitender Berechnung abnimmt (logische Irreversibilität), würde dies eine verbotene Abnahme der Entropie darstellen, es sei denn, die Anzahl möglicher physikalischer Zustände, die jedem logischen Zustand entsprechen, würde gleichzeitig zunehmen um mindestens einen ausgleichenden Betrag, so dass die Gesamtzahl der möglichen physikalischen Zustände nicht kleiner als ursprünglich war (die Gesamtentropie hat nicht abgenommen).

Infolge des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik (und Landauers) können einige Arten von Berechnungen nicht ohne die Erzeugung einer minimalen Wärmemenge durchgeführt werden, und diese Wärmemenge ist keine Folge des internen CPU-Widerstands.

Prost!

Um zu den anderen ausgezeichneten Antworten hinzuzufügen:

Zahlen, die Sie normalerweise sehen, zeigen an, dass nur ein Prozentsatz (wenn auch ein großer) des Stromverbrauchs in Wärme endet. Was genau passiert mit dem Rest?

Eigentlich endet fast alles in Hitze. Durch das Gesetz der Erhaltung der Energie , die ganze Energie (die Energie multipliziert mit der Zeit ist) hat irgendwo enden. Fast alle Prozesse in einem Computer wandeln die Energie direkt oder indirekt in Wärme um. Beispielsweise wandelt der Lüfter Energie in bewegte Luft (= kinetische Energie) um, die bewegte Luft wird jedoch durch Reibung mit der Umgebungsluft gestoppt, wodurch ihre kinetische Energie in Wärme umgewandelt wird.

Das Gleiche gilt für Dinge wie Strahlung (Licht vom Monitor, EM-Strahlung von allen elektrischen Bauteilen) und Schall (Geräusche, Schall von Lautsprechern), die ein Computer erzeugt: Auch sie werden absorbiert und in Wärme umgewandelt.

Wenn Sie von einem "Prozentsatz" lesen, der in Wärme endet, hat dies möglicherweise nur auf das Netzteil Bezug genommen. Das Netzteil sollte in der Tat einen großen Prozentsatz seiner Eingabe in elektrischen Strom und nicht in Wärme umwandeln (obwohl es auch etwas Wärme erzeugt). Diese Energie wird dann vom Rest des Computers in Wärme umgewandelt :-).

Ein Großteil davon wird auch zum Bewegen der Festplatte und der Lüfter sowie zum Aufleuchten des Monitors verwendet.

Ein Teil davon wird für die Übertragung von Daten über das Netzwerk verwendet. Überlegen Sie, wie viel Strom ein großer Radiosender dafür benötigt. Der Computer macht dasselbe mit Netzwerkdaten, auch wenn diese über eine Ethernet-Leitung oder eine WLAN-Antenne in einem viel kleineren Maßstab übertragen werden.

Darüber hinaus funktionieren die Pfade innerhalb der CPU und des Motherboards so ziemlich genauso wie die Netzwerkübertragungen. Es braucht Energie, um Elektronen auf diesen Wegen zu bewegen. Ein Elektron hat vielleicht nicht viel Masse, aber Sie bewegen Milliarden von ihnen und tun dies Milliarden Mal pro Sekunde.

Es wird auch Energie zum Ein- und Ausschalten von Speicherbits verbraucht, und der CPU-Speicher muss weiterhin Strom verbrauchen, um den aktuellen Speicher aufrechtzuerhalten, auch wenn nichts anderes verarbeitet wird. Ich konnte keine Zahlen finden, aber Sie haben mich jetzt interessiert. Wenn ich etwas finde, werde ich es hinzufügen.

Ich bin ein CPU-Designer. Lassen Sie mich eine einfachste Erklärung geben, die mir einfällt.

"Alle elektrische Energie wird in Wärme umgewandelt."

Sie können fragen; Wenn die gesamte elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird, wer liefert dann Energie für die Berechnung?

"Alle elektrischen Berechnungen verbrauchen Wärmeenergie."

In einer CPU (oder einer anderen Halbleiterschaltung) erfordert die elektrische Berechnung zwei Dinge:

• Eine Möglichkeit, Informationen von einem Ort an einen anderen zu senden (think cables)
• Ein Weg, um auf Informationen zu reagieren (denken Sie an Transistoren)

Drähte in der realen Welt verbrauchen Wärmeenergie, weil sie einen Widerstand ungleich Null haben. Transistoren verbrauchen auch Wärmeenergie, weil Elektronen (und Löcher) aufeinander prallen und Atome Wärme verursachen.

Sie können jetzt fragen: Mein elektrischer Brenner verbraucht die gesamte elektrische Energie als Wärme, aber er rechnet nicht. Warum anders ist wahr (Berechnung verbraucht Wärmeenergie).

Dies liegt daran, dass die Elektronen im Brenner zufällig ohne spezifischen Pfad fließen (nicht nützlich für die Berechnung), sondern in einer CPU auf einem genau definierten Pfad fließen (nützlich für die Berechnung), der vom HW / Schaltungsdesign vorgegeben wird. In jedem Fall bewegen sich Elektronen und verursachen Wärmeabgabe. Mit anderen Worten, der einzige Unterschied zwischen einem Brenner und einer CPU besteht darin, dass erstere keine spezifischen elektrischen Wege für den Elektronenfluss haben und letztere; Nur weil sich die Wege der Elektronenpfade unterscheiden, ist es für letztere kein Grund, weniger Wärmeenergie zu verbrauchen.

Fahren wir mit der hypothetischen Befragung fort. Können wir etwas ganz anderes als CPUs auswählen und sehen, wie sie sich gegenüberstellen? Stellen wir uns ein geparktes Auto auf der Straße vor. Wenn ich das Auto vorschiebe, wird die von mir geleistete Arbeit (die von mir gelieferte Energie) in zwei Dinge umgewandelt: a) den neuen Schwung des Autos und b) Wärme aufgrund von Reifen- / Straßenreibung. Warte einen Moment, sagst du, Autos Schwung. Etwas Körperliches kann ich sehen, was nur passiert ist, weil ich Energie dafür aufgewendet habe (minus Wärme / Reibung). Die Reibungswärme geht verloren (genau wie die CPU-Wärme), aber der erzeugte Impuls ist immer noch nützlich (z. B. das Laden der elektrischen Batterie im Auto während des regenerativen Bremsens). Die Nützlichkeit der CPU besteht darin, einige Informationen (eine bestimmte Anordnung von Bits) zu verarbeiten und einen Satz neuer Informationen (Eingabe- und Ausgabebinärbits) zu erzeugen. Informationen sind jedoch abstrakt; nicht physisch. Der Nutzen des Autos liegt in der physischen Welt. Informationen sind für die CPU bestimmt, während die physische Welt für Autos bestimmt ist. Beide strahlen Wärme aus, wenn sie etwas Nützliches für uns tun, aber Autos tun noch eins: Sie bewegen uns physisch. Was macht die CPU in der physischen Welt, abgesehen von der Erzeugung von Wärme? Nichts. Nur eine andere Möglichkeit zu sehen, wie CPUs die gesamte elektrische Energie in Wärme und nichts anderes umwandeln.

Moment mal, das heißt eigentlich; Kann ich CPUs als Brenner verwenden? Was ist, wenn mein elektrischer Brenner stattdessen eine CPU ist und ich eine Kochschale darüber stelle, um das Abendessen zu kochen? Wetten Sie? Sie erhalten zwei Dinge: Lebensmittel- und Informationsberechnung bei gleichen Energiekosten! Nur sehr teurer Brenner!

Nach meinem Verständnis wird der weitaus größte Teil des Energieverbrauchs einer CPU als Wärme abgegeben. Bei der Arbeit wandelt ein physikalisches System Energie um oder bewegt sie - die CPU wandelt elektrische Energie in Wärme um und ändert dabei häufig ihren internen Zustand (so wird ein Teil der Energie für eine gewisse Zeit effektiv gespeichert).

Vorsichtsmaßnahme: Mein praktisches Elektronik- und Physik-Training wurde vor über einem Jahrzehnt mit etwa 20 Jahren abgebrochen, es sei denn, Sie zählen das Lesen von New Scientist, sodass ein vorübergehender Physiker mir vielleicht sagen wird, dass ich völlig falsch liege!

Ein befragter Eariler gab an, dass fast alles in Hitze endet. Das ist fast richtig. In der Tat endet die gesamte Leistungsaufnahme schließlich als Wärme. Der Fan war ein gutes Beispiel. Der Ventilator wandelt Energie in bewegte Luft um (= kinetische Energie), die bewegte Luft wird jedoch durch Reibung mit der Umgebungsluft gestoppt, wodurch ihre kinetische Energie in Wärme umgewandelt wird. Dasselbe Konzept gilt für das Licht vom Monitor usw. Wenn Sie ein Computersystem mit 250 Watt Leistung in einen abgeschlossenen Raum stellen, entspricht das Ergebnis der Aufstellung eines 250-Watt-Heizgeräts im Raum.

Berechnung ist Wärme. Natürlich ist nicht die gesamte Wärme eine Berechnung. Also die einzig logische Antwort auf; Wie viel geht durch Wärme verloren? Die Antwort ist alles.

Berechnung ist organisierte Wärme. In Form von Daten. Was wir als Abwärme betrachten, sind nur unorganisierte Daten und werden nicht zur Berechnung verwendet.

Ich wollte auf diesen Kommentar oben antworten: "Denken Sie an einen einfachen Stromkreis: ein Gerät (ein beliebiges Gerät), das an eine Batterie angeschlossen ist. Wohin fließt der Strom? Es hört nicht am Gerät auf, ein Teil davon wird verwendet, um irgendetwas zu tun." es ist das Gerät, aber der Rest geht über das Kabel zurück zur Batterie (daher der geschlossene Stromkreis). "

Dieser Kommentar ist richtig, wenn es sich um elektrischen Strom handelt. es fließt durch den Stromkreis (funktioniert oder leitet Wärme ab) und geht zurück zur Batterie (oder Stromquelle). Der Strom bezieht sich hier tatsächlich auf den Elektronenfluss.

Das Originalplakat bezog sich jedoch auf Wärme, die auch als Energieverlust bezeichnet wird. Wärme / Energie wird nicht an die Batterie abgegeben. Energie wird aus dem Akku verbraucht und vollständig durch Wärme in der CPU abgeführt. Elektrischer Strom ist eine andere Sache.

Ja ja, eine CPU wandelt einen Großteil des aufgenommenen Stroms in Wärme um. Wir alle wissen das; Deshalb haben wir jetzt so verrückte Kühlgeräte an die CPU angeschlossen.

Ihnen fehlt jedoch das grundlegendste Prinzip der Elektronik.

In Ihrer Debatte klingt es so, als ob Elektrizität in ein Licht oder einen Motor eintritt, und alles wird in Licht oder kinetische Energie umgewandelt, was nicht der Fall ist. Stellen Sie sich einen einfachen Stromkreis vor: ein Gerät (jedes Gerät), das an eine Batterie angeschlossen ist. Wohin geht der Strom? Es hört nicht am Gerät auf; Ein Teil davon wird verwendet, um zu tun, was auch immer das Gerät tut, aber der Rest geht über das Kabel zurück zur Batterie (daher der geschlossene Stromkreis ).

Ein Computer ist nicht anders. Ladungsträger kommen über das Stromnetz herein, treten in das Netzteil ein und dann in die CPU, wo sie ihre Arbeit verrichten. Dabei wird Wärme erzeugt. Der Rest wird herausgeführt, zurück zum Netzteil und zurück zum Stromnetz.

Ian Boyd hatte einen guten Anfang, indem er auf einen Transistor zeigte , aber nicht mit einer konkreten Erklärung, wofür genau die Elektrizität verwendet wird (die „Amortisation“ des Geräts, speziell als Analogie zur Bewegung eines Lüfters oder Licht einer LED). Sie können ein wenig nachforschen, wie ein Transistor funktioniert, um ihn wirklich zu verstehen, aber es genügt zu sagen, dass die Elektrizität dazu verwendet wird, die atomare Anordnung eines Teils des Transistors physikalisch zu verändern, um den Elektronenfluss zuzulassen oder zu blockieren. Zugegeben, seine „Aktion“ ist nicht annähernd so klar oder offensichtlich wie Bewegung oder Licht, aber die Energie wird immer noch dazu verwendet, etwas zu tun (und wie Ian sagte, entsteht ein Haufen Wärme, wenn man Atome herumschiebt). Ich habe einige SEM-Fotos von einem CPU-Gate in Aktion gesehen, die wirklich helfen, Dinge zu visualisieren. Wenn ich einen finde, füge ich ihn hinzu.