Elektrik üretmek için CPU ısısı kullanmak

Tanenbaum'un Yapısal Bilgisayar Organizasyonu'nu okudum ve CPU saat hızını arttırmanın en büyük engellerinden birinin ısı olduğunu söylüyor. Böylece düşünmeye başladım: Isı emiciyi tamamen çıkarmak ve bu ısıyı daha fazla elektrik üretmek için kullanmak mümkün mü? Bu konuda araştırma yaptım ve bu termoelektrik malzemeleri ve bu termoelektrik jeneratörü buldum :

"Silikon-germanyum alaşımlarının şu anda 1000 ° C (...)" civarında en iyi termoelektrik malzemeler olduğu Wikipedia makalesini okudum ve CPU'nun normalde 30 ~ 40 ° C civarında çalıştığını biliyorum. Bu nedenle, 1000 ° C'ye ulaşmak için daha fazla CPU gerekir.

Bu yüzden şunu düşündüm: Daha fazla ısı toplamak için çok fazla CPU'yu ısıtıcıları olmadan paralel olarak yerleştirmeye ne dersiniz ? Ayrıca bu işlemcileri overclock edebiliriz ve ne kadar ısı üretebileceklerini görebiliriz.

Ama sıkıştım. Sonra ne düşüneceğimi bilmiyorum. İyi bir düşünce tarzı olup olmadığını bile bilmiyorum.

Sorum şu: neden CPU'nun ısısından elektrik üreten bir çeşit soğutucu geliştirmiyorsunuz? Biliyorum ki birileri zaten bunu düşünmüş olmalı ve yapmamamız için bir neden düşünmüş olmalı, ama çözemiyorum.

Peki, neden mümkün değil?

Açıklama için EDIT: CPU'ların 1000 ° C'de çalışmasını istemiyorum. Kabaca olan akıl yürütme adımlarımı (zorunlu olarak doğru değil) listeleyeceğim:

1. CPU saat hızı, çalışma sıcaklığı (T) ile sınırlıdır.
2. İşlemciler ısı üretir. Isı T yükseltir.
3. Isı alıcılar, T = 40 ° C'yi korumak için bu ısıya dikkat eder.
4. Isı emiciyi termoelektrik jeneratörü ile değiştirin (SiGe veya benzeri bir malzemeden üretilmiştir)
5. Isı oluşumunu artırmak için bir çok CPUyu yan yana yerleştirin.
6. Isı, CPU'ları TEG'e çıkarır, böylece CPU'lar T = 40 ° C'de kalır.
7. Mümkün mü?
8. Böyle bir TEG nasıl inşa edilir? Hangi malzeme kullanılacak?
9. Neden böyle bir cihaz zaten yok?
10. Bu soruyu sordum.

EDIT2: Fikirlerimin temelde yanlış ve kötü olduğunu görüyorum. Tüm cevaplar ve yorumlarınız için teşekkür ederiz. Herhangi bir yanlış anlaşılma için üzgünüm.

tl; dr Evet, bir işlemcinin atık sıcaklığından az miktarda güç çıkarabilirsiniz, ancak ısı emiciniz çıkarmak istediğiniz kadar büyük olmalıdır.

açıklama Isıyı enerjiye dönüştüren bir makine yok, sadece ısı farkını dönüştüren makineler yokiktidara Sizin durumunuzda, bu fark CPU sıcaklığı ile çevre sıcaklığı arasındaki farktır. Bu işlem için maksimum teorik verimlilik (1 - T_cold / T_hot), bu nedenle 25 ° C'lik bir ortam sıcaklığı, 40 ° C'lik bir CPU sıcaklığı ve 50W'lık bir ısı akışı için ideal bir dönüştürücü ile 2.4 watt elektrik üretebilirsiniz. (Kelvins'te sıcaklıklar mutlak sıcaklıklardır). CPU'nun 60 ° C'ye ulaşmasına izin verirseniz, 5 watt'a kadar, 100 ° C'ye izin verirseniz, 10 watt'a kadar çıkabilirsiniz. Gerçek hayattan ısıya güç dönüştürücüleri, özellikle termoelektrik elemanlar için daha verimsizdir. İdeal verime daha yakın olan bir karıştırıcı motor tavsiye ederim.

Isı pasif bir soğutucu ile nasıl akıyor:

[CPU] --> [Environment]

İşlemci-Çevre kavşağı, Kelvins / Watt cinsinden ölçülen ve doğrudan elektrik direncinin Volt / Amper cinsinden ölçülmesine eşdeğer bir termal dirence sahiptir. Bazı veri sayfalarında Kelvin / Watt değerleriyle karşılaşmış olabilirsiniz. İdeal bir soğutucu soğutucuya sıfır direnci vardır, bu nedenle sıcaklık farkı 0'dır ve CPU çevre sıcaklığında (25 ° C) çalışır. 0,5K / W'lık gerçek bir soğutucu ve 50W'lık bir ısı akışı (CPU, 50W'lık ısı üretir) ile sıcaklık farkı 25K'dır ve CPU 50 ° C'dedir.

Isı, teklif ettiğiniz makineyle böyle akıyor:

[CPU] --> [Hot end of machine] --> [Cold end of machine] --> [Environment]

Her üç noktada da ısıl dirençler, yani sıcaklık farklılıkları var. CPU ile makinenin sıcak ucu arasındaki bağlantının ideal olduğunu, yani aynı sıcaklıkta olduklarını varsayalım. Makinenin içindeki ısı direnci elektrik üretmek için kullanılır. Soğuk uç ve çevre arasındaki ısıl direnç, soğuk uç soğutucu tarafından verilir.

Soğuk uçtaki ısı emicisinin CPU için 0,5K / W ile kullandığımızla aynı olduğunu ve CPU'nun 50 ° C olmasını istediğimizi söyleyin. O zaman makinenin soğuk ucu zaten 50 ° C'de, ve makine üzerinde sıcaklık farkı olmayabilir, yani güç üretemez. Eğer iki kez büyük bir soğutucu kullanıyorsak (0.25K / W), o zaman soğuk uç 37.5 ° C olacaktır ve makine üzerindeki sıcaklık farkı 12.5 ° C olacaktır, bu nedenle biraz güç üretebilir.

Bir sıcaklık farkından güç çeken herhangi bir makine, eşittir bir termal direnç oluşturur (temperature difference)/(Heat flow). Makinenin ısıl direnci, soğutucunun ısıl direncine eklenir, böylece aralarında bir makine varsa CPU sıcaklığı her zaman daha sıcak olacaktır.

BTW Bazı overclockçular tam tersi yönde gidiyorlar: İşlemciden soğutucuya ısı pompalamak için elektrik gücü kullanarak tersine çalışan termoelektrik bir eleman ekleyerek negatif bir sıcaklık farkı yaratıyorlar. CPU soğuk uçta, soğutucu da sıcak uçta.

BTW Bu nedenle nükleer santrallerin soğuk uçlu soğutucu olarak çalışan muazzam soğutma kuleleri vardır.

Termoelektrik jeneratörler ile ilgili sorun korkunç derecede verimsiz olmalarıdır.

Bir CPU için ürettikleri ısıdan kurtulmak zorundasınız veya eritiyorlar.

Peltier modülünü bağlayabilir ve bunlardan az miktarda elektrik çıkarabilirsiniz, ancak yine de ısının geri kalanını klasik bir ısı değişim yöntemiyle dağıtmanız gerekir. Üretilen elektrik miktarı, kurulum maliyetini garanti altına almak için yeterince önemli olmayacaktır.

Pelterleri soğutucu olarak da kullanabilirsiniz. Bununla birlikte, ısıyı dışarı pompalamak için güç eklemek zorundasınız. Bu gücün daha sonra, ısı eşanjörü yoluyla çıkardığınız ısı ile birlikte dağıtılması gerekir. Sonunda ikincisinin daha büyük olması gerekir, bu nedenle net etkiniz daha kötüdür.

İktidara ısınma “kutsal kâse” bir fikirdir ve orada teorik bir rüya olarak soğuk bir kaynaşma ile ortaya çıkmaktadır.

Berraklık için yayımlandı

Isıdan elektriğe verimli DOĞRUDAN dönüşüm, "kutsal kâse" fikridir ve orada teorik bir hayal olarak soğuk kaynaşma ile birliktedir.

Elektrik üretmek için, sıcak tarafın (işlemci) maksimum verim için mümkün olduğunca sıcak olmasını istersiniz. Isı jeneratörü, ondan enerji çıkarırken ısının hareketini yavaşlatır.

Hesaplama yapmak için, işlemcinin mümkün olduğunca soğuk olmasını istersiniz . Yüksek sıcaklıklar silikonun elektrik direncini arttırır. Bu nedenle yüksek iletken ısı soğutucularına, fanlara vb: ısıyı olabildiğince hızlı bir şekilde uzaklaştırabilirsiniz.

Bu gereksinimler doğrudan birbiriyle çelişir.

Bundan kimsenin bahsetmediğine şaşırdım:

Atık ısıdan elektrik üretmek, yakıt yakan bazı işlemlerden anlam ifade edebilir. Atık ısıdan elektrik üretmek, öncelikle elektrikle çalışan bir sistemden mi? Bu hiç mantıklı değil. Bunu yaparak enerji tasarrufu sağlamanız mümkün ise, o zaman elektriği daha verimli kullanan bir sistem kurarak daha da fazla enerji tasarrufu sağlamanız mümkün.

Termodinamik yasaları, aynı sıcaklıktaki iki enerji kaynağının bir araya getirilmesinin daha yüksek bir enerji seviyesine eşit olmadığını belirtir. Örneğin, bir bardak sıcak suyu bir bardak sıcak suya dökmek, kombinasyonu ayrı bardaklardan daha sıcak yapmaz.

Isı aynı zamanda, onunla yapabileceğiniz çok az şeyin olduğu en düşük enerji formlarından biridir. Elektrik devreleri çalıştırabilir, rüzgar mekanik hareket yaratabilir, ancak ısı bir sıvıya veya katıya daha fazla enerji koymanın ötesinde fazla bir şey yapamaz.

Bununla birlikte, ısıdan enerji elde etmenin en uygun yöntemi, türbini açmak için bir sıvının (örneğin su) kaynatılmasıdır. Birden fazla ısı emiciyi bir araya getirip bir küvete bağlamak, CPU'ların tümü 100 C'nin üzerindeyse suyu kaynatır.

Komik düşünce ama hayır. İşlemciniz sadece bir yonga değil, 1000 ° C'de tam olarak şansı kalmayacak bir bağlantı teli ve bir kasa var.

Bu bir yana, hala göz önünde bulundurulması gereken bazı termodinamik yasaları vardır. Çok az şey çıkarmak için hala sisteme büyük miktarda enerji harcamalısınız. Bahsettiğiniz Peltier elementinin büyük bir dT'ye (soğuk ve sıcak taraf arasındaki fark) ihtiyacı vardır, bu nedenle ısı alıcılarını çıkarmak “soğuk” tarafı sıcak tarafla aynı sıcaklığa getirir, burada daha fazla enerji kazanılamaz, verimliliği daha da mahvedecek olan soğuk tarafı soğutmanız gerekir. Öte yandan, bu Peltier elemanları CPU'nun soğutulmasında olduğu gibi bir sıcaklık farkı oluşturmak için kullanılabilir.

Teorik olarak mümkün . İhtiyacınız olan tek şey, yüzeylerinden biri 40c, diğeri 20c'de iken elektrik üreten bir "madde".
Şu anda, tam olarak bunu yapan (ısıyı elektriğe değiştiren), ancak çok daha yüksek bir sıcaklıkta termokupllar var.