Bilgisayarda güç tüketimi nereye gidiyor?

Bugün öğle yemeğinde garip bir tartışma yaptık: Bir bilgisayarda, özellikle de CPU'da güç tüketimine tam olarak ne neden oluyor? ( ETA: Belli nedenlerden dolayı, bir sabit diskin, ekranın veya fanların neden güç harcadığını açıklamaya ihtiyacım yok - buradaki etki oldukça açık. )

Genelde gördüğünüz rakamlar, güç tüketiminin yalnızca bir yüzdesinin (büyük bir miktar da olsa) ısındığını gösterir. Ancak, gerisinde tam olarak ne oluyor? Bir CPU (artık) parçaları mekanik olarak hareket ettiren, ışık yayan veya enerjiyi dönüştürmek için başka yollar kullanan bir cihaz değildir. Tüm enerji gidiyor enerji emirlerine korunumu ben ciddi bir CPU gibi bir yere ve bir şey için dışarı çıkmak zorunda edemez o çıktı olmanın dışında her şey ısıyı düşünün.

Elektrik mühendisliği öğrencileri yerine bilgisayar bilimi olmamız kesinlikle soruyu tam olarak yanıtlamada yardımcı olmadı.

Elektronlar, iş gerektiren etrafa itiliyor. Ve elektronlar hareket ettikçe "sürtünme" yaşar ve daha fazla enerjiye ihtiyaç duyarlar.

Elektronları açmak için bir PNP bağlantısına sokmak istiyorsanız, bu enerji gerektirir. Elektronlar hareket etmek istemiyorlar ve birbirine yaklaşmak istemiyorlar; onların karşılıklı itişlerini yenmek zorundasın.

En basit CPU, tek, yalnız, transistör atın:

Elektronlar etrafa çarptıklarında ısı kaybederek enerji kaybederler. Ve çekim ve itme elektrik alanlarının üstesinden gelmek enerji gerektirir.

Vikipedi hakkında Landauer'ın prensibini belirten ilginç bir makale var (alıntı yap):

"Bir bitin silinmesi veya iki hesaplama yolunun birleştirilmesi gibi bilgilerin mantıksal olarak geri dönüşü olmayan manipülasyonu, bilgi işlem aparatının veya çevresinin bilgi taşıma serbestlik derecelerinde karşılık gelen bir entropi artışına eşlik etmelidir"

Bunun anlamı (alıntı):

Spesifik olarak, kaybolan her bilgi biti, k2 ln2 sıcaklığındaki bir miktarın salınmasına yol açacaktır; burada k, Boltzmann sabiti ve T, devrenin mutlak sıcaklığıdır.

Hala alıntı yapıyorum:

Bir hesaplamanın olası mantıksal durumlarının sayısı, hesaplama ilerledikçe azalırsa (mantıksal geri döndürülemezlik), bu, her bir mantıksal duruma karşılık gelen muhtemel fiziksel durumların sayısı aynı anda artmadıkça, entropinin yasaklı bir düşüşünü teşkil eder. en azından bir telafi edici miktarla, böylece toplam muhtemel fiziksel durumların sayısı başlangıçta olduğundan daha küçük değildi (toplam entropi azalmadı).

Dolayısıyla, İkinci Termodinamik Yasasının (ve Landauer) bir sonucu olarak , bazı hesaplama türleri, minimum miktarda ısı üretmeden yapılamaz ve bu ısı, dahili CPU direncinin bir sonucu değildir.

Şerefe!

Diğer mükemmel cevaplara eklemek için:

Genelde gördüğünüz rakamlar, güç tüketiminin yalnızca bir yüzdesinin (büyük bir miktar da olsa) ısındığını gösterir. Ancak, gerisinde tam olarak ne oluyor?

Aslında, hemen hemen her şey sıcakta bitiyor. Hukuku tarafından Enerjinin korunumu (zaman ile çarpılır gücü), tüm enerji vardır bir yerlerde sonuna kadar. Bir bilgisayarın içindeki neredeyse tüm işlemler, enerjiyi doğrudan veya dolaylı olarak ısıya dönüştürür. Örneğin, fan, enerjiyi hareketli havaya (= kinetik enerji) dönüştürür, ancak hareketli hava, kinetik enerjisini ısıya çevirecek olan çevredeki hava ile sürtünmeyle durdurulur.

Aynı şey bir bilgisayardan radyasyon (monitörden gelen ışık, tüm elektrik bileşenlerinden gelen EM ışınımı) ve ses (sesler, hoparlörlerden gelen ses) gibi şeyler için de geçerlidir: Bunlar da absorbe edilecek ve ısıya dönüşecektir.

Isıyla biten bir "yüzde" okursanız, bu yalnızca güç kaynağına atıfta bulunmuş olabilir. Güç kaynağı, girişinin büyük bir yüzdesini ısıya değil (aynı zamanda biraz ısı üretmesine rağmen) elektrik enerjisine dönüştürmelidir. Bu enerji daha sonra bilgisayarın geri kalanı tarafından ısıya dönüşecek :-).

Bunların çoğu sabit diskinizi ve fanlarınızı hareket ettirmeye ve monitörünüzü aydınlatmaya da gidiyor.

Bazıları ağ üzerinden veri iletmeye gider. Büyük bir radyo istasyonunun bunun için ne kadar güce ihtiyacı olduğunu düşünün. Bilgisayar, ethernet hattı veya wifi anteni üzerinde çok daha küçük bir ölçekte olsa bile, ağ verileriyle aynı şeyi yapıyor.

Dahası, işlemci ve anakart içerisindeki yollar, ağ aktarımları ile hemen hemen aynı şekilde çalışır. Elektronları bu yollardan aşağı hareket ettirmek enerji ister. Bir elektronun kütlesi fazla olmayabilir, ancak milyarlarca kişiyi taşıyor ve saniyede milyar kez yapıyorsunuz.

Bellek bitlerinin açılıp kapatılmasında kullanılan enerji de vardır, ayrıca CPU belleği, başka hiçbir şey işlenmese bile mevcut belleği korumak için güç kullanmaya devam etmelidir. Rakam bulamadım ama şimdi beni ilgilendiriyorsun, eğer bir şey bulursam ekleyeceğim.

Ben bir CPU tasarımcısıyım. Aklıma gelen en basit bir açıklama yapalım.

"Tüm elektrik enerjisi ısıya dönüştürülür."

Sorabilirsin; Tüm elektrik enerjisi ısıya dönüştürülürse, hesaplama için kim enerji sağlar?

"Tüm elektriksel hesaplama, ısı enerjisini yayar."

Bir CPU'da (veya başka herhangi bir yarı iletken devrede), elektriksel hesaplamanın iki şeye ihtiyacı vardır:

• Bir yerden diğerine bilgi göndermenin bir yolu (telleri düşünün)
• Bilgiye etki etmenin bir yolu (transistörleri düşünün)

Gerçek dünyadaki teller, sıfır enerjiye dirençli oldukları için ısı enerjisi harcar; Transistörler ayrıca ısı enerjisi harcarlar çünkü elektronlar (ve delikler) birbirine çarpar ve atomlar ısıya neden olur.

Şimdi sorabilirsiniz: bu nedenle elektrik ocağım tüm elektrik enerjisini ısı olarak harcar, ancak hesaplama yapmaz. Neden başka bir yol doğrudur (hesaplama, ısı enerjisini harcayan).

Bunun nedeni, brülördeki elektronların belirli bir yolla (hesaplama için kullanışlı değildir) rasgele rasgele akmasıdır, ancak bir CPU elektronunda HW / devre tasarımı tarafından belirlenen kesin olarak tanımlanmış bir yolda (hesaplama için yararlıdır) akar. Her iki durumda da, elektronlar etrafta dolaşarak ısı dağılımına neden olur. Başka bir deyişle, bir brülör ve bir CPU arasındaki tek fark, önceki elektronların akması ve ikincisi için özel elektrik yolu yollarının olmamasıdır; sadece elektron yolu yolları farklı olduğu için, ikincisinin daha az ısı enerjisi harcaması için bir neden değildir.

Varsayımsal sorgulamaya devam edelim. İşlemcilerden çok farklı bir şey seçip kontrastlarının nasıl olduğunu görebilir miyiz? Yolda park etmiş bir araba düşünelim. Arabayı ileri doğru itersem, benim yaptığım iş (benim tarafımdan verilen enerji) iki şeye dönüşür: a) Otomobilin yeni momentumu ve b) Lastik / yol sürtünmesinden kaynaklanan ısı. Bir dakika bekle, diyorsun, Araba ivme. Görebildiğim fiziksel bir şey, sadece bunun için enerjiyi harcadım (eksi ısı / sürtünme). Sürtünmeden kaynaklanan ısı kayboluyor (tıpkı CPU ısısı gibi), ancak üretilen momentum hala yararlı oluyor (örneğin, rejenerasyon kopması sırasında arabadaki elektrik aküsünün şarj edilmesi). CPU'nun faydası, bazı bilgiler üzerinde çalışmakta (belirli bir bit düzenlemesi) ve bir dizi yeni bilgi üretmektedir (giriş ve çıkış ikili bitleri); bilgi olsa soyut; fiziksel değil. Otomobilin kullanışlılığı fiziksel dünyada. Bilgi, fiziksel dünya otomobiller için iken CPU içindir. Her ikisi de bizim için yararlı bir şey yaptıklarında ısı yayarlar ama araba bir şey daha yapar: fiziksel olarak bizi dolaştırırlar. CPU, fiziksel dünyada ısı üretmenin ötesinde ne yapar? Hiçbir şey değil. CPU'ların tüm elektrik enerjisini ısıya nasıl dönüştürdüğünü görmenin bir başka yolu.

Bekle bir dakika, bu aslında; CPU'yu yazıcı olarak kullanabilir miyim? Ya elektrikli brülörüm bunun yerine bir CPU ise ve akşam yemeğini pişirmek için üzerine bir tencere koyarsam. Emin ol! İki şey elde edersiniz: Aynı enerji maliyetiyle Gıda ve Bilgi hesaplama! Sadece çok pahalı brülör olsa!

Anladığım kadarıyla bir CPU tarafından kullanılan enerji kullanımının büyük çoğunluğu ısı olarak üretiliyor. İş yapmak için fiziksel bir sistem enerjiyi dönüştürür veya taşır - CPU, elektrik enerjisini ısıya dönüştürerek çalışır, içsel durumunu yol boyunca çok kez değiştirir (bu nedenle enerjinin bir kısmı bu şekilde etkili bir şekilde depolanır).

Uyarım: pratik elektronikler ve fizik eğitimim 20 yıl civarında on yıl önce durdu, eğer Yeni Bilim İnsanı okumayı saymazsanız, geçen bir fizikçi bana tamamen yanıldığımı söylemek üzere olabilir!

Bir katılımcı, hemen hemen her şeyin ısı ile sonuçlandığını belirtti. Bu neredeyse doğru. Aslında, tüm güç girişi sonunda ısı olarak sona erer. Fan iyi bir örnekti. Fan enerjiyi hareketli havaya dönüştürür (= kinetik enerji), ancak hareketli hava, çevresindeki hava ile sürtünme ile durur ve kinetik enerjisini ısıya dönüştürür. Aynı konsept, monitördeki ışık vb. İçin de geçerlidir. Kapalı bir odaya 250 watt güç çeken bir bilgisayar sistemi koyarsanız, net sonuç, odaya 250 watt ısıtıcı koymakla aynıdır.

Hesaplama ısıdır. Elbette tüm ısı hesaplama değildir. Yani tek mantıklı cevap; Isıtmak için ne kadar kayıp? Cevap hepsi bu.

Hesaplama ısı düzenlenir. Veri şeklinde. Atık ısı olarak kabul ettiğimiz şey sadece düzensiz veridir ve hesaplama için kullanılmaz.

Yukarıdaki bu yoruma cevap vermek istedim: "Basit bir elektrik devresi düşünün: aküye bağlı bir cihaz (herhangi bir cihaz). Elektrik nereye gidiyor? Cihazda durmuyor; bazıları ne yapmak için kullanılıyor cihazın yaptığı, ancak geri kalanı telden aküye geri (dolayısıyla kapalı devre) devam ediyor. "

Elektrik akımı hakkında konuşuyorsak bu yorum doğrudur; Devrenin içinden akar (çalışır aka ısıyı yayar) ve aküye (ya da güç kaynağına) geri döner. Buradaki akım aslında elektronların akışına işaret ediyor.

Bununla birlikte, orijinal poster, harcanan ısı aka enerjisine değiniyordu. Isı / enerji dağıtımı aküye geri dönmez. Bataryadan enerji tüketilir ve CPU'daki ısı ile tamamen tüketilir. Elektrik akımı farklı bir konudur.

Evet evet, bir CPU emdiği elektriğin çoğunu ısıya dönüştürür. Hepimiz bunu biliyoruz; işte bu yüzden şimdi CPU’ya bağlı çılgın soğutma cihazlarımız var.

Ancak en temel elektronik prensibini kaçırıyorsunuz.

Tartışmanız, elektriğin bir ışığa veya motora girmesi, sesi hiç olmadığı kadar hafif veya kinetik enerjiye dönüştürülmesi gibi bir ses çıkarmasını sağlar. Basit bir elektrik devresi düşünün: aküye bağlı bir cihaz (herhangi bir cihaz). Elektrik nereye gidiyor? Cihazda durmuyor; bir kısmı cihazın ne yaptığını yapmak için kullanılır, ancak geri kalanı tel üzerinden aküye geri döner (bu nedenle kapalı devre ).

Bir bilgisayar farklı değil. Şarj taşıyıcıları ana şebekeden giriyor, PSU'ya giriyor, sonra işlerini yaptıkları CPU'ya giriyor, süreçte ısı yaratıyor, sonra gerisi çıkıyor, PSU'ya geri dönüyor ve şebekeye geri dönüyor.

Ian Boyd bir transistöre işaret ederek iyi bir başlangıç ​​yaptı , ancak elektriğin tam olarak ne için kullanıldığını (cihazın “getirilmesi”, özellikle bir fan hareketine benzetme veya bir LED ışığı). Bir transistörün onu gerçekten anlamak için nasıl çalıştığı hakkında biraz araştırma yapabilirsiniz, ancak elektronun elektron akışına izin vermek veya engellemek için transistörün bir kısmının atomik düzenlemesini fiziksel olarak değiştirmek için kullanıldığını söylemek için yeterlidir. Verdiği harekete “hareket” neredeyse hareket veya ışık kadar net veya açık değil, ancak enerji hala bir şeyler yapmak için kullanılıyor (ve Ian'ın söylediği gibi, atomları ittiğinizde bir miktar ısı oluşur). Bir işlem kapısının bazı SEM fotoğraflarını çalışırken görmeye başladım; eğer bir tane bulabilirsem, ekleyeceğim.