¿A dónde va el consumo de energía en una computadora?

Hoy tuvimos una discusión extraña durante el almuerzo: ¿qué causa exactamente el consumo de energía en una computadora, particularmente en la CPU? ( ETA: por razones obvias, no necesito una explicación de por qué un disco duro, pantalla o ventiladores consumen energía; el efecto allí es bastante obvio ) .

Las cifras que suele ver indican que solo un porcentaje (aunque sea grande) del consumo de energía termina en calor. Sin embargo, ¿qué pasa exactamente con el resto? Una CPU ya no es un dispositivo que mueve mecánicamente partes, emite luz o utiliza otras formas de transformar energía. La conservación de la energía dicta que toda la energía que entra tiene que salir a algún lado y, para algo como una CPU, no puedo imaginar que esa salida sea otra cosa que calor.

Ser estudiantes de ciencias de la computación en lugar de estudiantes de ingeniería eléctrica ciertamente no ayudó a responder con precisión la pregunta.

Los electrones están siendo empujados, eso requiere trabajo. Y los electrones experimentan "fricción" a medida que se mueven, necesitando más energía.

Si desea empujar electrones a una unión PNP para encenderlo, eso requiere energía. Los electrones no quieren moverse, y no quieren moverse más juntos; tienes que superar su repulsión mutua.

Tome la CPU más simple, un transistor único y solitario:

Los electrones pierden energía a medida que chocan, generando calor. Y superar los campos eléctricos de atracción y repulsión requiere energía.

Hay un artículo interesante en Wikipedia sobre el principio de Landauer que dice que (cita):

"cualquier manipulación de información lógicamente irreversible, como el borrado de un bit o la fusión de dos rutas de cálculo, debe ir acompañada de un aumento de entropía correspondiente en los grados de libertad que no contienen información del aparato de procesamiento de información o su entorno"

Esto significa que (cita):

Específicamente, cada bit de información perdida conducirá a la liberación de una cantidad kT ln 2 de calor, donde k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura absoluta del circuito.

Todavía citando:

Porque, si el número de posibles estados lógicos de un cálculo disminuyera a medida que el cálculo avanza (irreversibilidad lógica), esto constituiría una disminución prohibida de la entropía, a menos que el número de posibles estados físicos correspondientes a cada estado lógico aumentara simultáneamente al menos en una cantidad compensatoria, de modo que el número total de posibles estados físicos no sea menor que el original (la entropía total no ha disminuido).

Entonces, como consecuencia de la Segunda Ley de Termodinámica (y Landauer), algunos tipos de cálculos no se pueden hacer sin generar una cantidad mínima de calor, y este calor no es consecuencia de la resistencia interna de la CPU.

¡Aclamaciones!

Para agregar a las otras excelentes respuestas:

Las cifras que suele ver indican que solo un porcentaje (aunque sea grande) del consumo de energía termina en calor. Sin embargo, ¿qué pasa exactamente con el resto?

En realidad, casi todo termina en calor. Por la ley de conservación de la energía , toda la energía (que es el poder multiplicado por el tiempo) tiene que terminar en algún lugar. Casi todos los procesos dentro de una computadora terminan convirtiendo la energía en calor, directa o indirectamente. Por ejemplo, el ventilador convertirá la energía en aire en movimiento (= energía cinética), sin embargo, el aire en movimiento se detendrá por fricción con el aire circundante, lo que convertirá su energía cinética en calor.

Lo mismo ocurre con cosas como la radiación (luz del monitor, radiación EM de todos los componentes eléctricos) y sonido (ruidos, sonido de los altavoces) que produce una computadora: también serán absorbidos y transformados en calor.

Si lee sobre un "porcentaje" que termina en calor, eso puede haberse referido solo a la fuente de alimentación. De hecho, la fuente de alimentación debe convertir un gran porcentaje de su entrada en energía eléctrica, no en calor (aunque también produce algo de calor). Esta energía se convertirá en calor por el resto de la computadora :-).

Mucho de esto también se usa para mover el disco duro y los ventiladores, e iluminar el monitor.

Parte de esto va a transmitir datos a través de la red. Piense en cuánta potencia necesita una gran estación de radio para esto. La computadora está haciendo lo mismo con los datos de red, incluso si está en una escala mucho más pequeña a través de una línea de ethernet o antena wifi.

Además, las rutas dentro de la CPU y la placa base funcionan casi de la misma manera que las transmisiones de red. Se necesita energía para mover electrones por esos caminos. Un electrón puede no tener mucha masa, pero está moviendo miles de millones de ellos, y lo está haciendo miles de millones de veces por segundo.

También se usa energía para encender y apagar los bits de memoria, además la memoria de la CPU debe continuar usando energía para mantener la memoria actual incluso cuando no se está procesando nada más. No pude encontrar cifras, pero ahora me interesa, así que si encuentro algo, lo agregaré.

Soy un diseñador de CPU. Permítanme proporcionar una explicación más simple que se me ocurra.

"Toda la energía eléctrica se convierte en calor".

Tu puedes preguntar; Si toda la energía eléctrica se convierte en calor, ¿quién proporciona energía para el cálculo?

"Todos los cálculos eléctricos disipan la energía térmica".

En una CPU (o cualquier otro circuito semiconductor), la computación eléctrica necesita dos cosas:

• Una forma de enviar información de un lugar a otro (piense en cables)
• Una forma de actuar sobre la información (pensar en transistores)

Los cables en el mundo real gastan energía térmica porque tienen una resistencia distinta de cero; los transistores también gastan energía térmica porque los electrones (y los agujeros) chocan entre sí y los átomos causan calor.

Ahora puede preguntar: entonces mi quemador eléctrico gasta toda la energía eléctrica como calor pero no calcula. Por qué otra forma es cierta (computación que gasta energía térmica).

Esto se debe a que los electrones fluyen en el quemador al azar sin una ruta específica (no es útil para el cálculo), pero en una CPU los electrones fluyen en una ruta definida con precisión (útil para el cálculo) dictada por el diseño HW / circuito. De cualquier manera, los electrones se mueven, causando disipación de calor. En otras palabras, la única diferencia entre un quemador y una CPU es que el primero no tiene vías de ruta eléctrica específicas para que los electrones fluyan y el segundo sí; solo porque los caminos de los electrones son diferentes, no es una razón para que estos gasten menos energía térmica.

Continuemos con preguntas hipotéticas. ¿Podemos elegir algo muy diferente de las CPU y ver cómo contrastan? Imaginemos un auto estacionado en la carretera. Si empujo el automóvil hacia adelante, el trabajo realizado por mí (la energía suministrada por mí) se convierte en dos cosas: a) Nuevo impulso del automóvil yb) Calor debido a la fricción de la llanta / carretera. Espera un momento, dices, el impulso de Car. Algo físico que puedo ver que sucedió únicamente porque gasté energía hacia él (menos calor / fricción). El calor de la fricción se pierde (al igual que el calor de la CPU), pero el impulso generado sigue siendo útil (por ejemplo, cargar la batería eléctrica en el automóvil durante la ruptura de regeneración). La utilidad de la CPU es operar con cierta información (una cierta disposición de bits) y generar un conjunto de nuevas piezas de información (bits binarios de entrada y salida); sin embargo, la información es abstracta; no fisico La utilidad del automóvil está en el mundo físico. La información es para CPU, mientras que el mundo físico es para automóviles. Ambos irradian calor cuando hacen algo útil para nosotros, pero los autos hacen una cosa más: nos mueven físicamente. ¿Qué hace la CPU en el mundo físico más allá de generar calor? Nada. Solo otra forma de ver cómo las CPU convierten toda la energía eléctrica en calor y nada más.

Espera un minuto, esto realmente significa; ¿Puedo usar CPU como quemadores? ¿Qué pasa si mi quemador eléctrico es una CPU y pongo una sartén sobre él para cocinar la cena? Usted apuesta! Obtiene dos cosas: ¡Cálculo de alimentos e información con el mismo costo de energía! ¡Solo un quemador muy caro!

Tengo entendido que la gran mayoría del uso de energía de una CPU se genera como calor. Para hacer un trabajo, un sistema físico convierte o mueve energía: la CPU funciona convirtiendo la energía eléctrica en calor, cambiando su estado interno muchas veces (por lo que parte de la energía se almacena efectivamente durante un tiempo de esa manera).

Advertencia: mi entrenamiento práctico en electrónica y física se detuvo alrededor de los 20 años hace más de una década, a menos que cuentes leer New Scientist, ¡así que un físico que pasa puede estar a punto de decirme que estoy completamente equivocado!

Un entrevistado de Earler indicó que casi todo termina en celo. Eso es casi correcto. De hecho, toda la entrada de energía termina como calor eventualmente. El abanico fue un buen ejemplo. El ventilador convertirá la energía en aire en movimiento (= energía cinética), sin embargo, el aire en movimiento se detendrá por fricción con el aire circundante, lo que convertirá su energía cinética en calor. El mismo concepto se aplica a la luz del monitor, etc. Si coloca un sistema informático que consume 250 vatios de potencia en una habitación sellada, el resultado neto es el mismo que colocar un calentador de 250 vatios en la habitación.

La computación es calor. Si bien, por supuesto, no todo el calor es cálculo. Entonces, la única respuesta lógica a; ¿Cuánto se pierde con el calor? La respuesta es todo.

La computación es calor organizado. En forma de datos. Lo que consideramos calor residual es solo datos desorganizados y no utilizados para el cálculo.

Quería responder a este comentario anterior "Piensa en un circuito eléctrico simple: un dispositivo (cualquier dispositivo) conectado a una batería. ¿A dónde va la electricidad? No se detiene en el dispositivo; parte de ella se usa para hacer lo que sea es el dispositivo, pero el resto continúa a través del cable, de vuelta a la batería (de ahí el circuito cerrado) ".

Este comentario es correcto si estamos hablando de corriente eléctrica; fluye a través del circuito (funciona, también conocido como disipa el calor) y vuelve a la batería (o fuente de alimentación). La corriente aquí en realidad se refiere al flujo de electrones.

Sin embargo, el póster original se refería al calor, también conocido como energía disipada. El calor / energía disipada no vuelve a la batería. La energía se consume de la batería y se disipa por completo a través del calor en la CPU. La corriente eléctrica es un asunto diferente.

Sí, sí, una CPU convierte gran parte de la electricidad que absorbe en calor. Todos sabemos eso; Es por eso que ahora tenemos dispositivos de enfriamiento tan locos conectados a la CPU.

Sin embargo, te estás perdiendo el principio más básico de la electrónica.

Su debate hace que parezca que cuando la electricidad ingresa a una luz o motor, todo se convierte en luz o energía cinética, lo cual no es el caso. Piense en un circuito eléctrico simple: un dispositivo (cualquier dispositivo) conectado a una batería. ¿A dónde va la electricidad? No se detiene en el dispositivo; parte se usa para hacer lo que sea que hace el dispositivo, pero el resto continúa a través del cable, de regreso a la batería (de ahí el circuito cerrado ).

Una computadora no es diferente. Los portadores de carga entran por la red eléctrica, ingresan a la fuente de alimentación, luego a la CPU donde hacen su trabajo, generan calor en el proceso, luego el resto sale, vuelve a la fuente de alimentación y vuelve a la red eléctrica.

Ian Boyd tuvo un buen comienzo señalando un transistor , pero no lo siguió con una explicación tangible de para qué se usa exactamente la electricidad (la "recompensa" del dispositivo, específicamente como una analogía con el movimiento de un ventilador o luz de un LED). Puede investigar un poco sobre cómo funciona un transistor para comprenderlo realmente, pero basta con decir que la electricidad se usa para alterar físicamente la disposición atómica de parte del transistor para permitir o bloquear el flujo de electrones. Por supuesto, su "acción" no es tan clara u obvia como el movimiento o la luz, pero la energía todavía se usa para hacer algo (y como mencionó Ian, se crea un montón de calor cuando se empujan los átomos). He visto algunas fotos SEM de una puerta de CPU en acción que realmente ayuda a visualizar cosas; si puedo encontrar uno, lo agregaré.