Para onde vai o consumo de energia em um computador?

Hoje tivemos uma discussão estranha durante o almoço: o que exatamente causa o consumo de energia em um computador, principalmente na CPU? ( ETA: Por razões óbvias, não preciso de uma explicação para o motivo pelo qual um disco rígido, monitor ou ventilador consome 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 partes mecanicamente, emite luz ou usa outras maneiras de transformar energia. A conservação de energia determina que toda a energia que entra tem que sair para algum lugar e, para algo como uma CPU, seriamente não consigo imaginar que a saída seja algo além de calor.

Nós sermos ciência da computação em vez de estudantes de engenharia elétrica certamente não ajudou em responder com precisão à pergunta.

Elétrons estão sendo empurrados, isso requer trabalho. E os elétrons experimentam "fricção" enquanto se movem, precisando de mais energia.

Se você deseja inserir elétrons em uma junção PNP para ativá-lo, isso exige energia. Os elétrons não querem se mover e não querem se aproximar; você tem que superar sua repulsa mútua.

Pegue o processador mais simples, um único transistor solitário:

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

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

"qualquer manipulação de informação logicamente irreversível, como o apagamento de um bit ou a fusão de dois caminhos de computação, deve ser acompanhada de um aumento correspondente da entropia nos graus de liberdade não aparentados do aparelho de processamento de informações ou de seu ambiente"

Isso significa que (citação):

Especificamente, cada bit de informação perdida levará à liberação de uma quantidade kTln2 de calor, onde k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura absoluta do circuito.

Ainda citando:

Pois, se o número de possíveis estados lógicos de uma computação diminuísse à medida que a computação prosseguisse (irreversibilidade lógica), isso constituiria uma diminuição proibida da entropia, a menos que o número de possíveis estados físicos correspondentes a cada estado lógico aumentasse simultaneamente pelo menos em uma quantidade compensadora, de modo que o número total de possíveis estados físicos não fosse menor que o original (a entropia total não diminuiu).

Portanto, como conseqüência da Segunda Lei da Termodinâmica (e Landauer), alguns tipos de cálculos não podem ser feitos sem gerar uma quantidade mínima de calor, e esse calor não é uma conseqüência da resistência interna da CPU.

Felicidades!

Para adicionar às outras excelentes respostas:

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?

Na verdade, quase tudo acaba no calor. Pela lei da Conservação de energia , toda a energia (que é a energia multiplicada pelo tempo) deve terminar 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 interrompido por atrito 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 dos alto-falantes) produzido por um computador: eles também serão absorvidos e transformados em calor.

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

Muito disso também serve para mover o disco rígido e os ventiladores e iluminar o monitor.

Parte disso é para transmitir dados pela rede. Pense em quanta energia uma grande estação de rádio precisa para isso. O computador está fazendo o mesmo com os dados da rede, mesmo que em uma escala muito menor por uma linha Ethernet ou antena Wi-Fi.

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

Também há energia usada para ativar e desativar os bits de memória, e a memória da CPU deve continuar usando energia para manter a memória atual, mesmo quando nada estiver sendo processado. Não consegui encontrar números, mas agora você me interessa, por isso, se encontrar algo, vou adicioná-lo.

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

"Toda energia elétrica é convertida em calor."

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

"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 em fios)
• Uma maneira de agir com base em informações (pense em transistores)

Os fios no mundo real gastam energia térmica porque têm resistência diferente de zero; os transistores também gastam energia térmica, porque elétrons (e orifícios) se chocam e átomos causando calor.

Agora você pode perguntar: 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 aleatoriamente no queimador sem caminho específico (não é útil para o cálculo), mas em uma CPU os elétrons fluem em um caminho definido com precisão (útil para o cálculo) ditado pelo projeto de HW / circuito. De qualquer maneira, os elétrons se movem, causando dissipação de calor. Em outras palavras, a única diferença entre um gravador e uma CPU é que o primeiro não possui caminhos específicos para os elétrons fluírem e o segundo; apenas porque os caminhos do caminho dos elétrons são diferentes, não é motivo para este gastar menos energia térmica.

Vamos continuar questionando hipoteticamente. Podemos escolher algo muito diferente das CPUs e ver como elas contrastam? Vamos imaginar um carro estacionado na estrada. Se eu empurrar o carro para a frente, o trabalho realizado por mim (a energia fornecida por mim) será convertido em duas coisas: a) Novo impulso do carro eb) Calor devido ao atrito do pneu / estrada. Espere um minuto, você diz, o impulso de Car. Posso ver algo físico que aconteceu apenas porque gastei energia para isso (menos calor / fricção). O calor do atrito é perdido (assim como o calor da CPU), mas o momento gerado ainda é útil (por exemplo, carregar a bateria elétrica no carro durante a quebra da regeneração). A utilidade da CPU está em operar com algumas informações (alguns arranjos 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. As informações são para CPU, enquanto o mundo físico é para carros. Ambos irradiam calor quando fazem algo útil para nós, mas os carros fazem mais uma coisa: movem-nos fisicamente. O que a CPU faz no mundo físico além de gerar calor? Nada. Apenas outra maneira de ver como as CPUs 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 panela sobre ela para preparar o jantar. Pode apostar! Você tem duas coisas: computação de alimentos e informações com o mesmo custo de energia! Apenas queimador muito caro!

Meu entendimento é que a grande maioria do uso de energia de uma CPU é produzida como calor. Para trabalhar, um sistema físico converte ou move energia - a CPU funciona convertendo energia elétrica em calor, alterando seu estado interno várias vezes ao longo do caminho (para que uma parte da energia seja efetivamente armazenada por um período dessa maneira).

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

Um entrevistado do eariler indicou que quase tudo acaba no calor. Isso está quase correto. De fato, toda a entrada de energia acaba como calor eventualmente. O fã foi um bom exemplo. O ventilador transformará energia em ar em movimento (= energia cinética); no entanto, o ar em movimento será interrompido por atrito com o ar circundante, que transformará 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 potência em uma sala selada, o resultado líquido será o mesmo que colocar um aquecedor de 250 watts na sala.

Computação é calor. Embora, claro, nem todo calor seja computado. Portanto, a única resposta lógica para; Quanto é perdido no calor? A resposta é tudo.

A computação é um calor organizado. Sob a forma de dados. O que consideramos como calor desperdiçado são apenas dados desorganizados e não usados ​​para computação.

Eu queria responder a este comentário acima "Pense em um circuito elétrico simples: um dispositivo (qualquer dispositivo) conectado a uma bateria. Para onde vai a eletricidade? Ela não para no dispositivo; parte dela é usada para fazer o que for é o dispositivo, mas o resto continua através do fio, de volta à bateria (daí o circuito fechado). "

Este comentário está correto se estamos falando sobre corrente elétrica; ele flui através do circuito (funciona como dissipador de calor) e volta para a bateria (ou fonte de energia). A corrente aqui está na verdade se referindo ao fluxo de elétrons.

No entanto, o pôster original se referia ao calor, também conhecido como energia dissipada. O calor / energia dissipada não volta para a bateria. A energia é consumida pela bateria e dissipada inteiramente através do calor na CPU. A corrente elétrica é uma questão diferente.

Sim, sim, uma CPU converte grande parte da eletricidade que absorve em calor. Nós todos sabemos isso; é por isso que temos dispositivos de refrigeração tão loucos conectados à CPU agora.

No entanto, você está perdendo o princípio mais básico da eletrônica.

Seu debate soa como quando a eletricidade entra em uma luz ou motor, tudo isso é convertido em energia luminosa ou 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; algumas delas são usadas para fazer o que o dispositivo faz, mas o restante continua através do fio, de volta à bateria (daí o circuito fechado ).

Um computador não é diferente. Os portadores de carga entram pela rede elétrica, entram na PSU e depois na CPU onde eles fazem seu trabalho, criam calor no processo, depois o restante sai, volta à PSU e volta à rede elétrica.

Ian Boyd teve um bom começo apontando para um transistor , mas não o seguiu com uma explicação tangível do que exatamente a eletricidade é usada (o "retorno" 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. Concedida sua "ação" não é tão clara ou óbvia quanto 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 os átomos). Eu já vi algumas fotos SEM de um portão da CPU em ação que realmente ajudam a visualizar as coisas; se eu conseguir encontrar um, vou adicioná-lo.