Trường hợp tiêu thụ năng lượng đi trong một máy tính?

Hôm nay chúng tôi đã có một cuộc thảo luận kỳ lạ vào bữa trưa: Điều gì chính xác gây ra tiêu thụ năng lượng trong máy tính, đặc biệt là trong CPU? ( ETA: Vì những lý do rõ ràng, tôi không cần một lời giải thích tại sao ổ cứng, màn hình hoặc quạt tiêu thụ năng lượng - hiệu ứng ở đó khá rõ ràng. )

Các số liệu bạn thường thấy chỉ ra rằng chỉ một tỷ lệ phần trăm (mặc dù là một phần lớn) tiêu thụ năng lượng kết thúc bằng nhiệt. Tuy nhiên, chính xác những gì xảy ra với phần còn lại? CPU không (nữa) là thiết bị di chuyển cơ học các bộ phận, phát ra ánh sáng hoặc sử dụng các cách chuyển đổi năng lượng khác. Bảo tồn năng lượng ra lệnh rằng tất cả năng lượng đi vào phải đi ra đâu đó và đối với một thứ như CPU, tôi thực sự không thể tưởng tượng được rằng đầu ra là bất cứ thứ gì ngoài nhiệt.

Chúng tôi là khoa học máy tính thay vì sinh viên kỹ thuật điện chắc chắn không giúp trả lời chính xác câu hỏi.

Các điện tử đang được đẩy xung quanh, đòi hỏi phải làm việc. Và các electron trải qua "ma sát" khi chúng di chuyển xung quanh, cần nhiều năng lượng hơn.

Nếu bạn muốn đẩy các electron vào một điểm nối PNP để bật nó lên, điều đó đòi hỏi năng lượng. Các electron không muốn di chuyển và chúng không muốn di chuyển gần nhau hơn; bạn phải vượt qua sự đẩy lùi lẫn nhau của họ.

Lấy cpu đơn giản nhất, một bóng bán dẫn đơn, đơn lẻ:

Các electron bị mất năng lượng khi chúng va đập xung quanh, tạo ra nhiệt. Và vượt qua các lĩnh vực điện thu hút và đẩy lùi đòi hỏi năng lượng.

Có một bài viết thú vị trên wikipedia về nguyên tắc của Landauer nói rằng (trích dẫn):

"mọi thao tác thông tin không thể đảo ngược về mặt logic, chẳng hạn như xóa một chút hoặc hợp nhất hai đường tính toán, phải đi kèm với sự gia tăng entropy tương ứng về mức độ tự do mang thông tin của bộ máy xử lý thông tin hoặc môi trường của nó"

Điều này có nghĩa là (trích dẫn):

Cụ thể, mỗi bit thông tin bị mất sẽ dẫn đến việc giải phóng một lượng kT ln 2 nhiệt, trong đó k là hằng số Boltzmann và T là nhiệt độ tuyệt đối của mạch.

Vẫn trích dẫn:

Vì, nếu số lượng trạng thái logic có thể có của một tính toán sẽ giảm khi quá trình tính toán tiến lên (tính không thể đảo ngược logic), thì điều này sẽ tạo ra sự giảm entropy bị cấm, trừ khi số lượng trạng thái vật lý có thể tương ứng với mỗi trạng thái logic sẽ tăng đồng thời ít nhất là một lượng bù, sao cho tổng số trạng thái vật lý có thể không nhỏ hơn ban đầu (tổng entropy không giảm).

Vì vậy, do hậu quả của Định luật Nhiệt động lực học thứ hai (và Landauer), một số loại tính toán không thể được thực hiện mà không tạo ra một lượng nhiệt tối thiểu và nhiệt này không phải là hậu quả của điện trở CPU bên trong.

Chúc mừng!

Để thêm vào các câu trả lời tuyệt vời khác:

Các số liệu bạn thường thấy chỉ ra rằng chỉ một tỷ lệ phần trăm (mặc dù là một phần lớn) tiêu thụ năng lượng kết thúc bằng nhiệt. Tuy nhiên, chính xác những gì xảy ra với phần còn lại?

Trên thực tế, hầu hết mọi thứ kết thúc trong nhiệt. Bởi luật bảo tồn năng lượng , tất cả các năng lượng (mà là sức mạnh nhân với thời gian) có kết thúc ở đâu đó. Hầu như tất cả các quá trình bên trong một máy tính cuối cùng biến năng lượng thành nhiệt, trực tiếp hoặc gián tiếp. Ví dụ, quạt sẽ biến năng lượng thành không khí chuyển động (= động năng), tuy nhiên không khí chuyển động sẽ bị dừng lại do ma sát với không khí xung quanh, điều này sẽ biến động năng của nó thành nhiệt.

Điều tương tự cũng xảy ra với những thứ như bức xạ (ánh sáng từ màn hình, bức xạ EM từ tất cả các thành phần điện) và âm thanh (tiếng ồn, âm thanh từ loa) mà máy tính tạo ra: Chúng cũng sẽ bị hấp thụ và biến thành nhiệt.

Nếu bạn đọc "phần trăm" bị nóng, điều đó có thể chỉ nói đến nguồn cung cấp điện. Việc cung cấp năng lượng thực sự sẽ biến một tỷ lệ lớn đầu vào của nó thành năng lượng điện, chứ không phải thành nhiệt (mặc dù nó cũng tạo ra một số nhiệt). Năng lượng này sau đó sẽ được biến thành nhiệt bởi phần còn lại của máy tính :-).

Nhiều thứ cũng dùng để di chuyển ổ cứng và quạt của bạn, và làm sáng màn hình của bạn.

Một số trong đó đi truyền dữ liệu qua mạng. Hãy suy nghĩ về việc một đài phát thanh lớn cần bao nhiêu năng lượng cho việc này. Máy tính đang làm điều tương tự với dữ liệu mạng, ngay cả khi nó ở quy mô nhỏ hơn nhiều so với đường truyền ethernet hoặc ăng ten wifi.

Hơn nữa, các đường dẫn trong cpu và bo mạch chủ hoạt động khá giống với đường truyền mạng. Nó cần năng lượng để di chuyển các điện tử xuống những con đường đó. Một electron có thể không có nhiều khối lượng, nhưng bạn đang di chuyển hàng tỷ trong số chúng và thực hiện nó hàng tỷ lần mỗi giây.

Ngoài ra còn có năng lượng được sử dụng để bật và tắt các bit bộ nhớ, cộng với bộ nhớ CPU phải tiếp tục sử dụng năng lượng để duy trì bộ nhớ hiện tại ngay cả khi không có gì khác được xử lý. Tôi không thể tìm thấy số liệu, nhưng bạn có tôi quan tâm bây giờ vì vậy nếu tôi tìm thấy một cái gì đó tôi sẽ thêm nó.

Tôi là một nhà thiết kế CPU. Hãy để tôi cung cấp một lời giải thích đơn giản nhất mà tôi có thể nghĩ ra.

"Tất cả năng lượng điện được chuyển đổi thành nhiệt."

Bạn có thể yêu cầu; Nếu tất cả năng lượng điện được chuyển thành nhiệt, ai cung cấp năng lượng cho tính toán?

"Tất cả các tính toán điện làm tiêu tán năng lượng nhiệt."

Trong CPU (hoặc bất kỳ mạch bán dẫn nào khác), tính toán điện cần có hai điều:

• Một cách để gửi thông tin từ nơi này đến nơi khác (nghĩ dây)
• Một cách để hành động dựa trên thông tin (nghĩ về bóng bán dẫn)

Dây trong thế giới thực tiêu tốn năng lượng nhiệt vì chúng có điện trở khác không; bóng bán dẫn cũng tiêu tốn năng lượng nhiệt vì các electron (và lỗ trống) va vào nhau và các nguyên tử gây ra nhiệt.

Bây giờ bạn có thể hỏi: vì vậy đầu đốt điện của tôi tiêu tốn tất cả năng lượng điện dưới dạng nhiệt nhưng nó không tính toán được. Tại sao cách khác là đúng (tính toán năng lượng nhiệt).

Điều này là do các electron di chuyển trong đầu đốt ngẫu nhiên không có đường dẫn cụ thể (không hữu ích cho tính toán), nhưng trong dòng điện tử CPU chảy trong một đường dẫn được xác định chính xác (hữu ích cho tính toán) được quyết định bởi thiết kế mạch / CT. Dù bằng cách nào, các electron di chuyển xung quanh, gây ra sự tản nhiệt. Nói cách khác, sự khác biệt duy nhất giữa một ổ ghi và CPU là trước đây không có cách đường dẫn điện cụ thể nào để các electron chảy và sau này; chỉ bởi vì cách thức đường dẫn điện tử là khác nhau, nó không phải là lý do để sau đó tiêu tốn ít năng lượng nhiệt.

Hãy tiếp tục đặt câu hỏi giả thuyết. Chúng ta có thể chọn một cái gì đó rất khác với CPU và xem chúng tương phản như thế nào không? Hãy tưởng tượng một chiếc xe đậu trên đường. Nếu tôi đẩy xe về phía trước, công việc do tôi (năng lượng do tôi cung cấp) thực hiện sẽ được chuyển đổi thành hai điều: a) Động lượng mới của xe và b) Nhiệt do ma sát lốp / đường. Đợi một chút, bạn nói, xe của đà. Một cái gì đó vật lý tôi có thể thấy điều đó xảy ra chỉ vì tôi tiêu tốn năng lượng cho nó (trừ nhiệt / ma sát). Nhiệt do ma sát bị mất (giống như nhiệt CPU) nhưng động lượng được tạo ra vẫn hữu ích (giả sử sạc pin điện trong xe trong quá trình tái tạo phá vỡ). Tính hữu dụng của CPU là hoạt động trên một số thông tin (một sự sắp xếp các bit nhất định) và tạo ra một tập hợp các mẩu thông tin mới (bit nhị phân đầu vào và đầu ra); thông tin là trừu tượng mặc dù; không thể chất. Tính hữu dụng của xe là trong thế giới vật lý. Thông tin dành cho CPU trong khi thế giới vật lý dành cho ô tô. Cả hai đều tỏa nhiệt khi họ làm điều gì đó hữu ích cho chúng ta nhưng xe hơi lại làm một điều nữa: họ thực sự di chuyển chúng ta xung quanh. CPU làm gì trong thế giới vật lý ngoài việc tạo ra nhiệt? Không có gì. Chỉ là một cách khác để xem CPU chuyển đổi tất cả năng lượng điện thành nhiệt và không có gì khác.

Đợi một chút, điều này thực sự có nghĩa là; Tôi có thể sử dụng CPU làm đầu đốt? Điều gì sẽ xảy ra nếu ổ ghi điện của tôi thay vì CPU và tôi đặt một cái chảo nấu lên nó để nấu bữa tối. Bạn đặt cược! Bạn nhận được hai điều: Tính toán thực phẩm và thông tin với cùng chi phí năng lượng! Chỉ là đầu đốt rất đắt tiền!

Tôi hiểu rằng phần lớn năng lượng sử dụng của CPU là đầu ra dưới dạng nhiệt. Để thực hiện công việc, một hệ thống vật lý chuyển đổi hoặc di chuyển năng lượng - CPU hoạt động bằng cách chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt, thay đổi trạng thái bên trong của nó một số lần lớn trên đường đi (vì vậy một phần năng lượng được lưu trữ hiệu quả trong một thời gian theo cách đó).

Hãy cẩn thận: đào tạo vật lý và điện tử thực tế của tôi đã dừng lại khoảng 20 tuổi trong một thập kỷ trước, trừ khi bạn đếm đọc Nhà khoa học mới, vì vậy một nhà vật lý đi qua có thể nói với tôi rằng tôi hoàn toàn sai!

Một người trả lời tai nghe chỉ ra hầu hết mọi thứ kết thúc trong nhiệt. Điều đó gần như đúng. Trong thực tế, tất cả các đầu vào điện cuối cùng là nhiệt. Quạt là một ví dụ tốt. Quạt sẽ biến năng lượng thành không khí chuyển động (= động năng), tuy nhiên không khí chuyển động sẽ bị dừng lại do ma sát với không khí xung quanh, điều này sẽ biến động năng của nó thành nhiệt. Khái niệm tương tự áp dụng cho ánh sáng từ màn hình, v.v. Nếu bạn đặt một hệ thống máy tính tiêu thụ 250 watt năng lượng vào phòng kín, kết quả thực cũng giống như đặt máy sưởi 250 watt trong phòng.

Tính toán là nhiệt. Trong khi tất nhiên không phải tất cả nhiệt là tính toán. Vì vậy, câu trả lời hợp lý duy nhất cho; Mất nhiệt bao nhiêu? Câu trả lời là tất cả.

Tính toán được tổ chức nhiệt. Ở dạng dữ liệu. Những gì chúng tôi coi là nhiệt thải chỉ là dữ liệu vô tổ chức và không được sử dụng để tính toán.

Tôi muốn trả lời nhận xét này ở trên "Hãy nghĩ về một mạch điện đơn giản: một thiết bị (bất kỳ thiết bị nào) được gắn vào pin. Điện đi đâu? Nó không dừng lại ở thiết bị; một số được sử dụng để làm bất cứ điều gì đó là thiết bị, nhưng phần còn lại tiếp tục qua dây, trở lại pin (do đó là mạch kín). "

Nhận xét này là chính xác nếu chúng ta đang nói về dòng điện; nó chảy qua mạch (không hoạt động hay còn gọi là tản nhiệt) và quay trở lại pin (hoặc nguồn điện). Hiện tại ở đây thực sự đề cập đến dòng điện tử.

Tuy nhiên, các poster ban đầu được đề cập đến nhiệt aka năng lượng tiêu tan. Nhiệt / năng lượng tiêu tan không quay trở lại pin. Năng lượng được tiêu thụ từ pin và tiêu tan hoàn toàn thông qua nhiệt trong CPU. Dòng điện là một vấn đề khác.

Có, CPU chuyển đổi rất nhiều điện năng mà nó hấp thụ thành nhiệt. Chúng ta đều biết rằng; đó là lý do tại sao chúng ta có các thiết bị làm mát điên rồ như vậy gắn liền với CPU.

Tuy nhiên, bạn đang thiếu nguyên tắc cơ bản nhất của thiết bị điện tử.

Cuộc tranh luận của bạn làm cho nó nghe giống như khi điện đi vào ánh sáng hoặc động cơ, tất cả đều được chuyển đổi thành ánh sáng hoặc động năng, đó không phải là trường hợp. Hãy nghĩ về một mạch điện đơn giản: một thiết bị (bất kỳ thiết bị nào) được gắn vào pin. Điện đi đâu? Nó không dừng lại ở thiết bị; một số trong số đó được sử dụng để làm bất cứ điều gì mà thiết bị làm, nhưng phần còn lại tiếp tục thông qua dây, trở lại pin (do đó là mạch kín ).

Một chiếc máy tính cũng không khác. Các hạt mang điện đi vào qua nguồn điện, nhập PSU, sau đó đến CPU nơi chúng thực hiện công việc, tạo nhiệt trong quá trình, sau đó phần còn lại đi ra, quay lại PSU và quay trở lại nguồn điện.

Ian Boyd đã có một khởi đầu tốt bằng cách chỉ vào một bóng bán dẫn , nhưng không theo dõi nó bằng một lời giải thích hữu hình về chính xác điện được sử dụng để làm gì ánh sáng của đèn LED). Bạn có thể thực hiện một nghiên cứu nhỏ về cách thức hoạt động của bóng bán dẫn để thực sự hiểu về nó, nhưng đủ để nói rằng điện được sử dụng để thay đổi vật lý sự sắp xếp nguyên tử của một phần của bóng bán dẫn để cho phép hoặc chặn dòng điện tử. Được cấp cho hành động của mình, không rõ ràng hay rõ ràng như chuyển động hay ánh sáng, nhưng năng lượng vẫn được sử dụng để làm gì đó (và như Ian đã đề cập, một loạt nhiệt được tạo ra khi bạn đẩy các nguyên tử xung quanh). Tôi đã thấy một số hình ảnh SEM của cổng CPU hoạt động thực sự giúp trực quan hóa mọi thứ; nếu tôi có thể tìm thấy một, tôi sẽ thêm nó.