การใช้พลังงานไปในคอมพิวเตอร์ที่ไหน

วันนี้เรามีการอภิปรายแปลก ๆ เกี่ยวกับอาหารกลางวัน: สิ่งที่ทำให้เกิดการใช้พลังงานในคอมพิวเตอร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งใน CPU? ( ETA: ด้วยเหตุผลที่ชัดเจนฉันไม่ต้องการคำอธิบายว่าทำไมฮาร์ดไดรฟ์จอแสดงผลหรือพัดลมใช้พลังงาน - ผลที่เห็นได้ชัดคือสวย )

ตัวเลขที่คุณมักจะเห็นบ่งชี้ว่ามีเพียงร้อยละ (แม้ว่าจะเป็นขนาดใหญ่) ของการใช้พลังงานจะสิ้นสุดลงในความร้อน อย่างไรก็ตามสิ่งที่จะเกิดขึ้นกับส่วนที่เหลืออะไร? ซีพียูไม่ได้เป็นอุปกรณ์ที่เคลื่อนย้ายส่วนต่างๆปล่อยแสงหรือใช้วิธีอื่นในการเปลี่ยนพลังงาน การอนุรักษ์พลังงานกำหนดว่าพลังงานทั้งหมดที่เกิดขึ้นจะต้องออกไปที่ไหนสักแห่งและสำหรับบางอย่างเช่นซีพียูฉันไม่สามารถจินตนาการได้ว่าเอาท์พุทจะเป็นอะไรนอกจากความร้อน

เราเป็นวิทยาการคอมพิวเตอร์แทนนักศึกษาวิศวกรรมไฟฟ้าแน่นอนว่าไม่ได้ช่วยตอบคำถามอย่างถูกต้อง

อิเล็กตรอนถูกผลักไปรอบ ๆ ซึ่งต้องใช้งาน และอิเล็กตรอนจะพบกับ "แรงเสียดทาน" เมื่อมันเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ต้องการพลังงานมากขึ้น

หากคุณต้องการที่จะผลักอิเล็กตรอนเข้าสู่ทางแยก PNP เพื่อที่จะเปิดมันต้องใช้พลังงาน อิเล็กตรอนไม่ต้องการเคลื่อนที่และพวกเขาไม่ต้องการขยับเข้าใกล้กันมากขึ้น คุณต้องเอาชนะแรงผลักดันร่วมกันของพวกเขา

ใช้ซีพียูที่ง่ายที่สุดเพียงหนึ่งเดียวทรานซิสเตอร์:

อิเล็กตรอนจะสูญเสียพลังงานเมื่อชนกันทำให้เกิดความร้อน และการเอาชนะสนามไฟฟ้าที่น่าดึงดูดและแรงผลักดันนั้นต้องการพลังงาน

มีบทความที่น่าสนใจเกี่ยวกับวิกิพีเดียเกี่ยวกับหลักการของ Landauer ซึ่งระบุไว้ (อ้าง):

"การจัดการข้อมูลที่ไม่สามารถย้อนกลับได้อย่างมีเหตุผลเช่นการลบบิตหรือการรวมกันของสองเส้นทางการคำนวณจะต้องมาพร้อมกับการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีที่สอดคล้องกันในระดับที่ไม่ได้รับข้อมูลของอุปกรณ์ประมวลผลข้อมูลหรือสิ่งแวดล้อม"

ซึ่งหมายความว่า (อ้าง):

โดยเฉพาะอย่างยิ่งข้อมูลที่หายไปแต่ละบิตจะนำไปสู่การปล่อยความร้อน kT ln 2 จำนวนหนึ่งโดยที่ k คือค่าคงที่ของ Boltzmann และ T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ของวงจร

ยังคงอ้างถึง:

สำหรับหากจำนวนลอจิคัลฯ ที่เป็นไปได้ของการคำนวณลดลงเมื่อการคำนวณดำเนินไปข้างหน้า (irreversibility แบบลอจิคัล) สิ่งนี้จะเป็นการลดการห้ามของเอนโทรปีเว้นแต่จำนวนสถานะทางกายภาพที่เป็นไปได้ที่สอดคล้องกับแต่ละสถานะลอจิก อย่างน้อยเป็นจำนวนเงินชดเชยเพื่อให้จำนวนรวมของสถานะทางกายภาพที่เป็นไปได้ไม่เล็กกว่าเดิม (เอนโทรปีทั้งหมดไม่ได้ลดลง)

ดังนั้นเนื่องจากกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ (และ Landauer) การคำนวณบางประเภทไม่สามารถทำได้โดยไม่สร้างความร้อนจำนวนน้อยที่สุดและความร้อนนี้ไม่ได้เป็นผลมาจากความต้านทานซีพียูภายใน

ไชโย!

เพื่อเพิ่มคำตอบที่ยอดเยี่ยมอื่น ๆ :

ตัวเลขที่คุณมักจะเห็นบ่งชี้ว่ามีเพียงร้อยละ (แม้ว่าจะเป็นขนาดใหญ่) ของการใช้พลังงานจะสิ้นสุดลงในความร้อน อย่างไรก็ตามสิ่งที่จะเกิดขึ้นกับส่วนที่เหลืออะไร?

จริงๆแล้วเกือบทุกอย่างจบลงด้วยความร้อน ตามกฎหมายของการอนุรักษ์พลังงาน , พลังงานทั้งหมด (ซึ่งเป็นอำนาจคูณด้วยเวลา) มีที่จะจบลงที่ใดที่หนึ่ง กระบวนการเกือบทั้งหมดในคอมพิวเตอร์กลายเป็นพลังงานความร้อนไม่ว่าทางตรงหรือทางอ้อม ตัวอย่างเช่นพัดลมจะเปลี่ยนพลังงานเป็นอากาศเคลื่อนที่ (= พลังงานจลน์) แต่อากาศเคลื่อนที่จะหยุดลงโดยการเสียดสีกับอากาศรอบข้างซึ่งจะเปลี่ยนพลังงานจลน์เป็นความร้อน

สิ่งเดียวกันเช่นการแผ่รังสี (แสงจากจอภาพรังสี EM จากอุปกรณ์ไฟฟ้าทั้งหมด) และเสียง (เสียงเสียงจากลำโพง) ที่คอมพิวเตอร์สร้างขึ้น: พวกมันจะถูกดูดซับและเปลี่ยนเป็นความร้อน

หากคุณอ่าน "เปอร์เซ็นต์" ที่จบลงด้วยความร้อนนั่นอาจหมายถึงแหล่งจ่ายไฟเพียงอย่างเดียว แหล่งจ่ายไฟควรเปลี่ยนเปอร์เซ็นต์ของการป้อนข้อมูลขนาดใหญ่ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าไม่ใช่ความร้อน (แม้ว่าจะสร้างความร้อนด้วย) พลังงานนี้จะเปลี่ยนเป็นความร้อนโดยส่วนที่เหลือของคอมพิวเตอร์ :-)

ส่วนมากจะไปที่การเคลื่อนย้ายฮาร์ดไดรฟ์และพัดลมของคุณและเพิ่มความสว่างของจอภาพ

บางส่วนไปส่งข้อมูลผ่านเครือข่าย ลองคิดดูว่าสถานีวิทยุขนาดใหญ่ต้องการพลังงานแค่ไหน คอมพิวเตอร์กำลังทำสิ่งเดียวกันกับข้อมูลเครือข่ายแม้ว่าจะมีขนาดเล็กกว่าสายอีเธอร์เน็ตหรือเสาอากาศไร้สายก็ตาม

นอกจากนี้เส้นทางภายในซีพียูและมาเธอร์บอร์ดก็ทำงานในลักษณะเดียวกันกับการส่งสัญญาณเครือข่าย มันใช้พลังงานในการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนไปตามเส้นทางเหล่านั้น อิเล็กตรอนอาจมีมวลไม่มากนัก แต่คุณกำลังเคลื่อนที่เป็นพันล้านและทำหลายพันล้านครั้งต่อวินาที

นอกจากนี้ยังมีพลังงานที่ใช้ในการเปิดและปิดบิตหน่วยความจำรวมถึงหน่วยความจำ CPU จะต้องใช้พลังงานต่อไปเพื่อรักษาหน่วยความจำปัจจุบันแม้ว่าจะไม่มีการประมวลผลอะไรอีก ฉันไม่สามารถหาตัวเลข แต่คุณมีฉันสนใจในขณะนี้ดังนั้นถ้าฉันจะหาสิ่งที่ฉันจะเพิ่ม

ฉันเป็นนักออกแบบ CPU ให้ฉันอธิบายง่ายๆที่ฉันนึกออก

"พลังงานไฟฟ้าทั้งหมดถูกแปลงเป็นความร้อน"

คุณอาจถาม; ถ้าพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดถูกแปลงเป็นความร้อนใครให้พลังงานสำหรับการคำนวณ

"การคำนวณไฟฟ้าทั้งหมดสลายพลังงานความร้อน"

ใน CPU (หรือวงจรเซมิคอนดักเตอร์อื่น ๆ ) การคำนวณไฟฟ้าต้องการสองสิ่ง:

• วิธีส่งข้อมูลจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง (คิดว่าไว)
• วิธีการดำเนินการกับข้อมูล (คิดว่าทรานซิสเตอร์)

สายไฟในโลกแห่งความเป็นจริงใช้พลังงานความร้อนเพราะพวกมันมีความต้านทานไม่เป็นศูนย์ ทรานซิสเตอร์ยังใช้พลังงานความร้อนเนื่องจากอิเล็กตรอน (และหลุม) ชนเข้าด้วยกันและอะตอมทำให้เกิดความร้อน

ตอนนี้คุณอาจถาม: เตาไฟฟ้าของฉันใช้พลังงานไฟฟ้าทั้งหมดเป็นความร้อน แต่มันไม่คำนวณ เหตุใดวิธีอื่นจึงเป็นจริง (การคำนวณทำให้เกิดพลังงานความร้อน)

นี่เป็นเพราะการไหลของอิเล็กตรอนในเครื่องเขียนโดยไม่มีเส้นทางเฉพาะ (ไม่มีประโยชน์สำหรับการคำนวณ) แต่ในการไหลของอิเล็กตรอนของ CPU ในเส้นทางที่กำหนดอย่างแม่นยำ (มีประโยชน์สำหรับการคำนวณ) ที่กำหนดโดย HW / การออกแบบวงจร อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ทำให้เกิดการกระจายความร้อน กล่าวอีกนัยหนึ่งความแตกต่างเพียงอย่างเดียวระหว่างเครื่องเขียนและซีพียูคือเมื่อก่อนไม่มีวิธีทางไฟฟ้าจำเพาะสำหรับอิเล็กตรอนที่จะไหลและต่อมา เพียงเพราะเส้นทางอิเล็คตรอนมีความแตกต่างจึงไม่ใช่เหตุผลว่าทำไมในภายหลังจึงต้องใช้พลังงานความร้อนน้อยลง

ลองตั้งคำถามต่อไป เราสามารถเลือกบางอย่างที่แตกต่างจากซีพียูและดูว่ามันแตกต่างกันอย่างไร ลองนึกภาพรถที่จอดอยู่บนถนน ถ้าฉันผลักรถไปข้างหน้างานที่ฉันทำ (พลังงานที่ฉันจัดหาให้) จะถูกแปลงเป็นสองสิ่ง: ก) โมเมนตัมใหม่ของรถและ b) ความร้อนเนื่องจากความเสียดทานของยาง / ถนน เดี๋ยวก่อนคุณพูดว่าแรงขับของรถยนต์ บางสิ่งบางอย่างทางกายภาพฉันสามารถเห็นสิ่งที่เกิดขึ้นเพียงอย่างเดียวเพราะฉันใช้พลังงานไปทางนั้น (ลบความร้อน / แรงเสียดทาน) ความร้อนจากแรงเสียดทานจะหายไป (เช่นเดียวกับความร้อนของ CPU) แต่โมเมนตัมที่สร้างขึ้นยังคงมีประโยชน์ (กล่าวว่าการชาร์จแบตเตอรี่ไฟฟ้าในรถยนต์ในระหว่างการทำลายใหม่) ประโยชน์ของ CPU คือการทำงานกับข้อมูลบางอย่าง (การจัดเรียงบิตบางอย่าง) และสร้างชุดของข้อมูลใหม่ (บิตไบนารี่อินพุตและเอาต์พุต); ข้อมูลเป็นนามธรรมแม้ว่า; ไม่ใช่ทางกายภาพ ประโยชน์ของรถอยู่ในโลกทางกายภาพ ข้อมูลสำหรับซีพียูในขณะที่โลกทางกายภาพสำหรับรถยนต์ ความร้อนทั้งสองอย่างแผ่ออกมาเมื่อพวกเขาทำสิ่งที่มีประโยชน์สำหรับเรา แต่รถยนต์ทำสิ่งอื่นอีกหนึ่งอย่าง: พวกมันเคลื่อนไหวเราไปรอบ ๆ CPU ทำอะไรในโลกทางกายภาพที่นอกเหนือจากการสร้างความร้อน? ไม่มีอะไร อีกวิธีหนึ่งในการดูว่าซีพียูแปลงพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดเป็นความร้อนได้อย่างไร

เดี๋ยวก่อนนี่แปลว่าจริง ฉันสามารถใช้ CPU เป็นหัวเขียนได้หรือไม่ ถ้าเตาไฟฟ้าของฉันเป็นซีพียูแทนและฉันวางกระทะสำหรับทำอาหาร พนันได้เลย! คุณจะได้รับสองสิ่ง: การคำนวณอาหารและข้อมูลด้วยต้นทุนพลังงานเท่ากัน! แม้ว่าเครื่องเขียนราคาแพงมาก!

ความเข้าใจของฉันคือส่วนใหญ่ของการใช้พลังงานโดย CPU จะส่งออกเป็นความร้อน ในการทำงานระบบทางกายภาพแปลงหรือย้ายพลังงาน - CPU ทำงานโดยแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นความร้อนโดยเปลี่ยนสถานะภายในเป็นจำนวนมากตลอดเวลา (ดังนั้นพลังงานบางส่วนจะถูกเก็บไว้อย่างมีประสิทธิภาพในเวลานั้น)

Caveat: การฝึกฝนอิเล็กทรอนิกส์และการฝึกฝนทางฟิสิกส์ของฉันหยุดลงเมื่ออายุประมาณ 20 กว่าทศวรรษที่ผ่านมาเว้นแต่คุณจะนับการอ่านนักวิทยาศาสตร์ใหม่ดังนั้นนักฟิสิกส์ที่ผ่านไปอาจจะบอกฉันว่าฉันผิดอย่างสมบูรณ์!

ผู้ตอบแบบ eariler ระบุว่าเกือบทุกอย่างจบลงด้วยความร้อน เกือบจะถูกต้องแล้ว ในความเป็นจริงการป้อนพลังงานทั้งหมดจะสิ้นสุดลงเมื่อความร้อนในที่สุด พัดลมเป็นตัวอย่างที่ดี พัดลมจะเปลี่ยนพลังงานเป็นอากาศเคลื่อนที่ (= พลังงานจลน์) อย่างไรก็ตามอากาศเคลื่อนที่จะหยุดลงโดยการเสียดสีกับอากาศรอบข้างซึ่งจะเปลี่ยนพลังงานจลน์เป็นความร้อน แนวคิดเดียวกันนี้ใช้กับแสงจากจอภาพ ฯลฯ หากคุณวางระบบคอมพิวเตอร์ที่ดึงกำลังไฟ 250 วัตต์เข้าห้องที่ปิดสนิทผลลัพธ์สุทธิจะเหมือนกับการวางเครื่องทำความร้อน 250 วัตต์ในห้อง

การคำนวณคือความร้อน ในขณะที่ความร้อนไม่ได้คำนวณทั้งหมด ดังนั้นคำตอบเชิงตรรกะเท่านั้นที่จะ; ความร้อนจะหายไปเท่าไหร่? คำตอบคือทั้งหมดของมัน

การคำนวณจัดเป็นความร้อน ในรูปแบบของข้อมูล สิ่งที่เราถือว่าเป็นความร้อนเหลือทิ้งเป็นข้อมูลที่ไม่เป็นระเบียบและไม่ได้ใช้สำหรับการคำนวณ

ฉันต้องการที่จะตอบสนองต่อความคิดเห็นข้างต้น "คิดเกี่ยวกับวงจรไฟฟ้าอย่างง่าย: อุปกรณ์ (อุปกรณ์ใด ๆ ) ติดกับแบตเตอรี่ไฟฟ้าไปไหนมันไม่หยุดที่อุปกรณ์ แต่บางส่วนใช้ทำอะไรก็ได้ มันเป็นอุปกรณ์ที่ทำ แต่ส่วนที่เหลือยังคงผ่านสายไฟกลับไปที่แบตเตอรี่ (ดังนั้นจึงปิดวงจร)

ความคิดเห็นนี้ถูกต้องหากเรากำลังพูดถึงกระแสไฟฟ้า มันไหลผ่านวงจร (ทำงานได้หรือที่รู้จักว่ากระจายความร้อน) และกลับไปที่แบตเตอรี่ (หรือแหล่งพลังงาน) กระแสไฟฟ้าที่นี่เป็นการอ้างถึงการไหลของอิเล็กตรอน

อย่างไรก็ตามโปสเตอร์ดั้งเดิมหมายถึงพลังงานความร้อนที่รู้จักกันดี ความร้อน / พลังงานกระจายไปไม่ได้กลับไปที่แบตเตอรี่ พลังงานถูกใช้ไปจากแบตเตอรีและกระจายไปทั่วด้วยความร้อนในซีพียู กระแสไฟฟ้าเป็นเรื่องที่แตกต่าง

ใช่แล้วซีพียูจะแปลงพลังงานไฟฟ้าจำนวนมากที่ดูดซับเข้าไปในความร้อน เราทุกคนรู้ว่า; นั่นเป็นเหตุผลที่เรามีอุปกรณ์ระบายความร้อนที่บ้าคลั่งดังกล่าวติดอยู่กับซีพียูในขณะนี้

อย่างไรก็ตามคุณขาดหลักการพื้นฐานทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สุด

การถกเถียงของคุณทำให้ดูเหมือนว่าเมื่อไฟฟ้าเข้าสู่แสงหรือมอเตอร์ทั้งหมดจะถูกแปลงเป็นพลังงานแสงหรือพลังงานจลน์ซึ่งไม่ใช่กรณี นึกถึงวงจรไฟฟ้าง่ายๆ: อุปกรณ์ (อุปกรณ์ใด ๆ ) ที่ต่ออยู่กับแบตเตอรี่ ไฟฟ้าไปไหน มันไม่ได้หยุดอยู่ที่อุปกรณ์ บางส่วนใช้ในการทำทุกอย่างที่อุปกรณ์ทำ แต่ส่วนที่เหลือยังคงผ่านสายไฟกลับไปที่แบตเตอรี่ (ดังนั้นจึงเป็นวงจรปิด )

คอมพิวเตอร์ไม่แตกต่างกัน ผู้ให้บริการที่ชาร์จไฟเข้ามาผ่านไฟเข้าสู่ PSU จากนั้นไปที่ CPU ที่พวกเขาทำงานสร้างความร้อนในกระบวนการจากนั้นส่วนที่เหลือจะออกมากลับไปที่ PSU และกลับไปที่ไฟหลัก

Ian Boyd เริ่มต้นได้ดีโดยชี้ไปที่ทรานซิสเตอร์แต่ไม่ได้ติดตามด้วยคำอธิบายที่เป็นรูปธรรมว่าไฟฟ้าใช้สำหรับอะไร ("ผลตอบแทน" ของอุปกรณ์โดยเฉพาะเป็นการเปรียบเทียบกับการเคลื่อนไหวของพัดลมหรือ แสงของ LED) คุณสามารถทำวิจัยเล็กน้อยเกี่ยวกับวิธีการทำงานของทรานซิสเตอร์เพื่อทำความเข้าใจจริง ๆ แต่พอเพียงเพื่อบอกว่าไฟฟ้าที่ใช้ในการปรับเปลี่ยนการจัดเรียงอะตอมของส่วนหนึ่งของทรานซิสเตอร์เพื่อให้ร่างกายหรือป้องกันการไหลของอิเล็กตรอน จริงอยู่ที่ว่า "การกระทำ" นั้นไม่ชัดเจนหรือชัดเจนเหมือนกับการเคลื่อนไหวหรือแสง แต่พลังงานยังคงเคยทำบางสิ่ง (และตามที่เอียนกล่าวถึงความร้อนจำนวนมากถูกสร้างขึ้นเมื่อคุณกดอะตอมรอบ ๆ ) ฉันได้เห็นภาพถ่าย SEM ของประตู CPU ที่ทำงานจริงซึ่งช่วยให้มองเห็นสิ่งต่าง ๆ ได้จริง ๆ หากฉันสามารถหาได้ฉันจะเพิ่มเข้าไป