Onde o consumo de energia ocorre em um computador?

Question

Hoje tivemos uma discussão estranha durante o almoço: o que exatamente causa o consumo de energia em um computador, particularmente na CPU? ( ETA: Por razões óbvias, não preciso de uma explicação sobre porque um disco rígido, monitor ou fãs consomem energia - o efeito é bastante óbvio. )

Os números que você costuma ver indicam que apenas uma porcentagem (embora grande) do consumo de energia acaba em calor. No entanto, o que exatamente acontece com o resto? Uma CPU não é (mais) um dispositivo que move peças mecanicamente, emite luz ou usa outras formas de transformar energia. A conservação da energia determina que toda a energia que entra precisa sair em algum lugar e, para algo parecido com uma CPU, eu realmente não posso imaginar que a saída seja qualquer coisa além de calor.

O fato de sermos cientistas da computação em vez de estudantes de engenharia elétrica certamente não ajudou a responder com precisão à pergunta.

    

Answer 1

Os elétrons estão sendo empurrados, o que requer trabalho. E os elétrons experimentam "atrito" enquanto se movem, precisando de mais energia.

Se você quiser enviar elétrons para uma junção PNP para ativá-la, isso requer energia. Os elétrons não querem se mover e não querem se aproximar; você tem que superar sua repulsa mútua.

Pegue a CPU mais simples, um único transistor solitário:

Os elétrons perdem energia quando se chocam, gerando calor. E superar os campos elétricos de atração e repulsão requer energia.

    

Answer 2

Há um artigo interessante na wikipedia sobre o princípio de Landauer que afirma que (citação):

"any logically irreversible manipulation of information, such as the erasure of a bit or the merging of two computation paths, must be accompanied by a corresponding entropy increase in non-information bearing degrees of freedom of the information processing apparatus or its environment"

Isso significa que (quote):

Specifically, each bit of lost information will lead to the release of an amount kT ln 2 of heat, where k is the Boltzmann constant and T is the absolute temperature of the circuit.

Ainda citando:

For, if the number of possible logical states of a computation were to decrease as the computation proceeded forward (logical irreversibility), this would constitute a forbidden decrease of entropy, unless the number of possible physical states corresponding to each logical state were to simultaneously increase by at least a compensating amount, so that the total number of possible physical states was no smaller than originally (total entropy has not decreased).

Então, como consequência da Segunda Lei da Termodinâmica (e Landauer), alguns tipos de cálculos não pode ser feito sem gerar uma quantidade mínima de calor, e este calor não é uma consequência da resistência interna da CPU.

Felicidades!

    

Answer 3

Para adicionar outras respostas excelentes:

Figures you usually see indicate that only a percentage (albeit a large one) of the power consumption ends up in heat. However, what exactly does happen with the rest?

Na verdade, quase tudo acaba no calor. Pela lei de Conservação de energia , toda a energia (que é o poder multiplicado pelo tempo) tem para acabar em algum lugar. Quase todos os processos dentro de um computador acabam transformando a energia em calor, direta ou indiretamente. Por exemplo, o ventilador transformará energia em ar em movimento (= energia cinética), no entanto o ar em movimento será parado por fricção com o ar circundante, que transformará sua energia cinética em calor.

O mesmo vale para coisas como radiação (luz do monitor, radiação EM de todos os componentes elétricos) e som (ruídos, som de alto-falantes) que um computador produz: Eles também serão absorvidos e transformados em calor.

Se você ler sobre uma "porcentagem" que acaba no calor, isso pode ter se referido apenas à fonte de alimentação. A fonte de alimentação deve de fato transformar uma grande porcentagem de sua entrada em energia elétrica, não em calor (embora também produza algum calor). Esta energia será então transformada em calor pelo resto do computador: -).

    

Answer 4

Grande parte disso também vai para mover seu disco rígido e seus ventiladores e iluminar seu monitor.

Algumas delas vão para transmitir dados pela rede. Pense na quantidade de energia que uma grande estação de rádio precisa para isso. O computador está fazendo a mesma coisa com dados de rede, mesmo que seja em uma escala muito menor em uma linha de ethernet ou antena wifi.

Além disso, os caminhos dentro da cpu e da motherboard funcionam praticamente da mesma maneira que as transmissões da rede. É preciso energia para mover os elétrons por esses caminhos. Um elétron pode não ter muita massa, mas você está movendo bilhões deles e fazendo isso bilhões de vezes por segundo.

    

Answer 5

Há também energia usada para ativar e desativar os bits de memória, além da memória da CPU continuar a usar energia para manter a memória atual mesmo quando nada mais estiver sendo processado. Não consegui encontrar números, mas você me interessa agora, então, se eu encontrar algo, vou adicioná-lo.

    

Answer 6

Meu entendimento é que a grande maioria do uso de energia por uma CPU é produzida como calor. Para fazer o trabalho, um sistema físico converte ou move energia - a CPU funciona convertendo energia elétrica em calor, alterando seu estado interno um grande número de vezes ao longo do caminho (assim, parte da energia é efetivamente armazenada por um tempo assim).

Advertência: meu treinamento prático em eletrônica e física parou por volta dos 20 anos há mais de uma década, a menos que você conte ler New Scientist, então um físico que está passando pode estar prestes a me dizer que estou completamente errado!

    

Answer 7

Eu sou um designer de CPU. Deixe-me fornecer uma explicação mais simples que eu possa pensar.

"Toda a energia elétrica é convertida em calor".

Você pode perguntar; se toda energia elétrica é convertida em calor, quem fornece energia para computação?

"Todo o cálculo elétrico dissipa a energia térmica".

Em uma CPU (ou qualquer outro circuito semicondutor), a computação elétrica precisa de duas coisas:

• Uma maneira de enviar informações de um lugar para outro (pense nos fios)
• Uma maneira de agir sobre informações (pense em transistores)

Os fios no mundo real gastam energia térmica porque têm resistência diferente de zero; transistores também gastam energia de calor porque elétrons (e buracos) batem uns nos outros e átomos causam calor.

Agora você pode perguntar: então meu queimador elétrico gasta toda a energia elétrica como calor, mas não calcula. Por que o outro caminho é verdadeiro (computação gastando energia térmica).

Isso ocorre porque os elétrons fluem no queimador aleatoriamente sem um caminho específico (não é útil para computação), mas em um fluxo de elétrons da CPU em um caminho precisamente definido (útil para computação) ditado pelo design de HW / circuito. De qualquer forma, os elétrons se movem, causando dissipação de calor. Em outras palavras, a única diferença entre um gravador e uma CPU é que a primeira não possui caminhos elétricos específicos para os elétrons fluírem e, posteriormente, para a segunda; só porque os caminhos do caminho do elétron são diferentes, não é uma razão para o último gastar menos energia térmica.

Vamos continuar com o questionamento hipotético. Podemos escolher algo muito diferente dos CPUs e ver como eles contrastam? Vamos imaginar um carro estacionado na estrada. Se eu empurrar o carro para a frente, o trabalho feito por mim (a energia fornecida por mim) é convertido em duas coisas: a) novo ímpeto do carro eb) Calor devido ao atrito pneu / estrada. Espere um minuto, você diz, o impulso do carro. Algo físico eu posso ver o que aconteceu apenas porque eu gastei energia para ele (menos calor / fricção). O calor do atrito é perdido (assim como o calor da CPU), mas o momento gerado ainda é útil (digamos, carregar a bateria elétrica no carro durante a regeneração). A utilidade da CPU está em operar alguma informação (um certo arranjo de bits) e gerar um conjunto de novas informações (bits binários de entrada e saída); a informação é abstrata; não é físico. A utilidade do carro está no mundo físico. A informação é para a CPU, enquanto o mundo físico é para carros. Ambos irradiam calor quando fazem algo útil para nós, mas os carros fazem mais uma coisa: eles nos movem fisicamente. O que o CPU faz no mundo físico além de gerar calor? Nada. Apenas outra maneira de ver como os processadores convertem toda a energia elétrica em calor e nada mais.

Espere um minuto, isso realmente significa; Posso usar CPUs como queimadores? E se meu queimador elétrico for uma CPU e eu colocar uma assadeira sobre ela para preparar o jantar. Pode apostar! Você obtém duas coisas: Computação de alimentos e informações com o mesmo custo de energia! Queimador muito caro embora!

    

Answer 8

Um respondente do eariler indicou que quase tudo acaba no calor. Isso está quase correto. Na verdade, toda a entrada de energia acaba como calor eventualmente. O fã foi um bom exemplo. O ventilador irá transformar energia em ar em movimento (= energia cinética), no entanto o ar em movimento será parado por fricção com o ar circundante, que irá transformar sua energia cinética em calor. O mesmo conceito se aplica à luz do monitor, etc. Se você colocar um sistema de computador consumindo 250 watts de energia em uma sala fechada, o resultado líquido será o mesmo que colocar um aquecedor de 250 watts na sala.

    

Answer 9

A computação é calor. Embora, claro, nem todo calor seja computacional. Então a única resposta lógica para; Quanto se perde ao calor? A resposta é tudo.

A computação é um calor organizado. Na forma de dados. O que consideramos ser calor residual é apenas um dado desorganizado e não é usado para computação.

    

Answer 10

Eu queria responder a este comentário acima "Pense em um circuito elétrico simples: um dispositivo (qualquer dispositivo) ligado a uma bateria. Para onde vai a eletricidade? Não para no dispositivo; parte dele é usada para fazer o que quer que seja que o dispositivo faz, mas o resto continua através do fio, de volta para a bateria (daí o circuito fechado). "

Este comentário está correto se estamos falando de corrente elétrica; Ele flui pelo circuito (funciona aka, dissipa calor) e volta para a bateria (ou fonte de energia). A corrente aqui está realmente se referindo ao fluxo de elétrons.

No entanto, o pôster original estava se referindo à energia do calor aka dissipada. Calor / energia dissipada não volta para a bateria. A energia é consumida a partir da bateria e totalmente dissipada através do calor na CPU. Corrente elétrica é um assunto diferente.

    

Answer 11

Sim, sim, uma CPU converte grande parte da eletricidade que ela absorve no calor. Nós todos sabemos isso; é por isso que agora temos dispositivos de refrigeração tão loucos conectados à CPU.

No entanto, você está sentindo falta do princípio mais básico da eletrônica.

Seu debate faz soar como quando a eletricidade entra em uma luz ou motor, tudo isso é convertido em luz ou energia cinética, o que não é o caso. Pense em um circuito elétrico simples: um dispositivo (qualquer dispositivo) conectado a uma bateria. Para onde vai a eletricidade? Não para no dispositivo; parte dele é usada para fazer o que quer que seja que o dispositivo faz, mas o resto continua pelo fio, de volta para a bateria (daí o circuito fechado ).

Um computador não é diferente. Carregadores de carga entram pela rede elétrica, entram na fonte de alimentação, depois para a CPU onde fazem seu trabalho, criam calor no processo, então o resto sai, volta para a PSU e volta para a rede elétrica.

Ian Boyd teve um bom começo apontando para um transistor , mas não o seguiu com uma explicação tangível de para que exatamente a eletricidade é usada (o “payoff” do dispositivo, especificamente como uma analogia ao movimento de um ventilador ou luz de um LED). Você pode fazer uma pequena pesquisa sobre como um transistor funciona para realmente entendê-lo, mas basta dizer que a eletricidade é usada para alterar fisicamente o arranjo atômico de parte do transistor para permitir ou bloquear o fluxo de elétrons. Concedido a sua "ação" não é tão clara ou óbvia como movimento ou luz, mas a energia ainda é usada para fazer alguma coisa (e como Ian mencionou, um monte de calor é criado quando você empurra átomos ao redor). Eu já vi algumas fotos do SEM de um gate da CPU em ação, o que realmente ajuda a visualizar as coisas; se eu puder encontrar um, vou adicioná-lo.