Di mana konsumsi daya di komputer?

Hari ini kami berdiskusi aneh saat makan siang: Apa yang sebenarnya menyebabkan konsumsi daya di komputer, terutama di CPU? ( ETA: Untuk alasan yang jelas saya tidak perlu penjelasan mengapa hard drive, tampilan, atau penggemar mengonsumsi daya - efeknya cukup jelas. )

Angka yang biasanya Anda lihat menunjukkan bahwa hanya persentase (meskipun yang besar) dari konsumsi daya berakhir dengan panas. Namun, apa sebenarnya yang terjadi dengan yang lain? CPU bukan (lagi) perangkat yang secara mekanis memindahkan bagian, memancarkan cahaya atau menggunakan cara lain untuk mengubah energi. Konservasi energi menentukan bahwa semua energi yang masuk harus keluar ke suatu tempat dan untuk sesuatu seperti CPU, saya benar - benar tidak dapat membayangkan bahwa output menjadi apa pun selain panas.

Kami menjadi ilmu komputer, bukannya mahasiswa teknik listrik, tentu saja tidak membantu menjawab pertanyaan dengan akurat.

Elektron sedang didorong, yang membutuhkan kerja. Dan elektron mengalami "gesekan" ketika mereka bergerak, membutuhkan lebih banyak energi.

Jika Anda ingin mendorong elektron ke persimpangan PNP untuk menyalakannya, itu membutuhkan energi. Elektron tidak ingin bergerak, dan mereka tidak ingin bergerak lebih dekat bersama; Anda harus mengatasi saling tolak mereka.

Ambil cpu yang paling sederhana, satu, tunggal, transistor:

Elektron kehilangan energi ketika mereka berbenturan, menghasilkan panas. Dan mengatasi medan listrik dari daya tarik dan tolakan membutuhkan energi.

Ada artikel menarik di wikipedia tentang prinsip Landauer yang menyatakan bahwa (kutipan):

"manipulasi informasi yang tidak dapat dibalikkan secara logis, seperti penghapusan sedikit atau penggabungan dua jalur komputasi, harus disertai dengan peningkatan entropi yang sesuai dalam tingkat kebebasan bantalan informasi yang tidak mengandung informasi dari perangkat pengolah informasi atau lingkungannya"

Ini berarti bahwa (kutipan):

Secara khusus, setiap bit informasi yang hilang akan menyebabkan pelepasan sejumlah kT l 2 panas, di mana k adalah konstanta Boltzmann dan T adalah suhu absolut dari rangkaian.

Masih mengutip:

Karena, jika jumlah keadaan logis yang mungkin dari suatu komputasi akan berkurang ketika perhitungan dilanjutkan ke depan (ketidakterbalikan logis), ini akan merupakan penurunan entropi yang terlarang, kecuali jika jumlah kemungkinan keadaan fisik yang berkaitan dengan masing-masing keadaan logis secara bersamaan meningkat oleh setidaknya jumlah kompensasi, sehingga jumlah total keadaan fisik yang mungkin tidak lebih kecil dari aslinya (total entropi belum berkurang).

Jadi, sebagai konsekuensi dari Hukum Kedua Termodinamika (dan Landauer), beberapa jenis perhitungan tidak dapat dilakukan tanpa menghasilkan jumlah panas minimum, dan panas ini bukan merupakan konsekuensi dari resistansi CPU internal.

Tepuk tangan!

Untuk menambah jawaban luar biasa lainnya:

Angka yang biasanya Anda lihat menunjukkan bahwa hanya persentase (meskipun yang besar) dari konsumsi daya berakhir dengan panas. Namun, apa sebenarnya yang terjadi dengan yang lain?

Sebenarnya, hampir semuanya berakhir dalam panas. Menurut hukum Konservasi energi , semua energi (yang merupakan kekuatan dikalikan waktu) harus berakhir di suatu tempat. Hampir semua proses di dalam komputer pada akhirnya mengubah energi menjadi panas, langsung atau tidak langsung. Misalnya, kipas akan mengubah energi menjadi udara yang bergerak (= energi kinetik), namun udara yang bergerak akan dihentikan oleh gesekan dengan udara di sekitarnya, yang akan mengubah energi kinetiknya menjadi panas.

Hal yang sama berlaku untuk hal-hal seperti radiasi (cahaya dari monitor, radiasi EM dari semua komponen listrik) dan suara (suara, suara dari pengeras suara) yang dihasilkan komputer: Mereka juga akan diserap dan diubah menjadi panas.

Jika Anda membaca "persentase" yang berakhir dengan panas, itu mungkin merujuk ke catu daya saja. Catu daya memang harus mengubah persentase besar inputnya menjadi daya listrik, bukan menjadi panas (meskipun itu menghasilkan panas juga). Energi ini kemudian akan berubah menjadi panas oleh sisa komputer :-).

Banyak juga untuk memindahkan hard drive dan kipas Anda, dan menyalakan monitor Anda.

Beberapa darinya digunakan untuk mengirimkan data melalui jaringan. Pikirkan tentang seberapa besar daya yang dibutuhkan stasiun radio besar untuk ini. Komputer melakukan hal yang sama dengan data jaringan, bahkan jika itu pada skala yang jauh lebih kecil melalui jalur ethernet atau antena wifi.

Selain itu, jalur dalam cpu dan motherboard bekerja dengan cara yang hampir sama dengan transmisi jaringan. Dibutuhkan energi untuk memindahkan elektron ke jalur itu. Sebuah elektron mungkin tidak memiliki banyak massa, tetapi Anda memindahkan miliaran dari mereka, dan melakukannya miliaran kali per detik.

Ada juga energi yang digunakan dalam menghidupkan dan mematikan bit memori, ditambah memori CPU harus terus menggunakan daya untuk mempertahankan memori saat ini bahkan ketika tidak ada lagi yang sedang diproses. Saya tidak dapat menemukan angka, tetapi Anda membuat saya tertarik sekarang, jadi jika saya menemukan sesuatu, saya akan menambahkannya.

Saya seorang desainer CPU. Biarkan saya memberikan penjelasan paling sederhana yang bisa saya pikirkan.

"Semua energi listrik diubah menjadi panas."

Anda mungkin bertanya; jika semua energi listrik diubah menjadi panas, siapa yang menyediakan energi untuk perhitungan?

"Semua perhitungan listrik menghilangkan energi panas."

Dalam CPU (atau sirkuit semikonduktor lainnya), perhitungan listrik memerlukan dua hal:

• Cara untuk mengirim informasi dari satu tempat ke tempat lain (pikirkan kabel)
• Cara untuk bertindak berdasarkan informasi (pikirkan transistor)

Kabel di dunia nyata mengeluarkan energi panas karena mereka memiliki ketahanan yang tidak nol; transistor juga mengeluarkan energi panas karena elektron (dan lubang) saling bertabrakan dan atom menyebabkan panas.

Anda sekarang mungkin bertanya: jadi pembakar listrik saya mengeluarkan semua energi listrik sebagai panas tetapi tidak menghitung. Mengapa cara lain itu benar (perhitungan mengeluarkan energi panas).

Ini karena elektron mengalir dalam burner secara acak tanpa jalur spesifik (tidak berguna untuk perhitungan), tetapi dalam aliran elektron CPU pada jalur yang ditentukan secara tepat (berguna untuk komputasi) yang ditentukan oleh HW / desain sirkuit. Either way, elektron bergerak, menyebabkan disipasi panas. Dengan kata lain, satu-satunya perbedaan antara burner dan CPU adalah bahwa mantan tidak memiliki jalur jalur listrik khusus untuk elektron mengalir dan yang terakhir tidak; hanya karena cara jalur elektron berbeda, itu bukan alasan untuk yang terakhir mengeluarkan lebih sedikit energi panas.

Mari kita lanjutkan pertanyaan hipotetis. Bisakah kita memilih sesuatu yang sangat berbeda dari CPU dan melihat perbedaannya? Mari kita bayangkan sebuah mobil yang diparkir di jalan. Jika saya mendorong mobil ke depan, pekerjaan yang saya lakukan (energi yang dipasok oleh saya) dikonversi menjadi dua hal: a) Momentum baru mobil dan b) Panas akibat gesekan ban / jalan. Tunggu sebentar, katamu, momentum mobil. Sesuatu yang fisik dapat saya lihat yang terjadi semata-mata karena saya mengeluarkan energi ke arahnya (dikurangi panas / gesekan). Panas dari gesekan hilang (seperti panas CPU) tetapi momentum yang dihasilkan masih berguna (katakanlah mengisi baterai listrik di mobil selama regenerasi kerusakan). Kegunaan CPU dalam mengoperasikan beberapa informasi (pengaturan bit tertentu) dan menghasilkan sekumpulan informasi baru (input dan output bit biner); informasi bersifat abstrak; bukan fisik. Kegunaan mobil adalah dalam dunia fisik. Informasi untuk CPU sementara dunia fisik untuk mobil. Keduanya memancarkan panas ketika mereka melakukan sesuatu yang berguna bagi kita tetapi mobil melakukan satu hal lagi: mereka secara fisik menggerakkan kita. Apa yang dilakukan CPU di dunia fisik selain menghasilkan panas? Tidak ada. Hanya cara lain untuk melihat bagaimana CPU mengubah semua energi listrik menjadi panas dan tidak ada yang lain.

Tunggu sebentar, ini sebenarnya berarti; Saya dapat menggunakan CPU sebagai pembakar? Bagaimana jika pembakar listrik saya bukan CPU dan saya meletakkan panci memasak di atasnya untuk memasak makan malam. Anda bertaruh! Anda mendapatkan dua hal: Perhitungan Makanan dan Informasi dengan biaya energi yang sama! Hanya pembakar yang sangat mahal!

Pemahaman saya adalah bahwa sebagian besar penggunaan energi oleh CPU adalah output sebagai panas. Untuk melakukan pekerjaan, sistem fisik mengubah atau memindahkan energi - CPU bekerja dengan mengubah energi listrik menjadi panas, mengubah keadaan internalnya beberapa kali sepanjang jalan (sehingga sebagian energi disimpan secara efektif untuk waktu yang sama).

Peringatan: pelatihan elektronik dan fisika praktis saya berhenti sekitar usia 20 lebih dari satu dekade yang lalu, kecuali jika Anda menghitung membaca New Scientist, jadi seorang fisikawan yang lewat mungkin akan memberi tahu saya bahwa saya benar-benar salah!

Responden eariler mengindikasikan hampir semuanya berakhir dengan panas. Itu hampir benar. Faktanya, semua input daya berakhir sebagai panas pada akhirnya. Kipas itu adalah contoh yang bagus. Kipas akan mengubah energi menjadi udara yang bergerak (= energi kinetik), namun udara yang bergerak akan dihentikan oleh gesekan dengan udara di sekitarnya, yang akan mengubah energi kinetiknya menjadi panas. Konsep yang sama berlaku untuk cahaya dari monitor, dll. Jika Anda menempatkan sistem komputer yang mengalirkan daya 250 watt ke ruangan tertutup, hasil bersihnya sama dengan meletakkan pemanas 250 watt di ruangan.

Komputasi adalah panas. Meskipun tentu saja tidak semua panas adalah perhitungan. Jadi satu-satunya jawaban logis untuk; Berapa banyak yang hilang akibat panas? Jawabannya adalah semuanya.

Komputasi adalah panas terorganisir. Dalam bentuk data. Apa yang kami anggap sebagai limbah panas hanyalah data yang tidak terorganisir dan tidak digunakan untuk perhitungan.

Saya ingin menanggapi komentar di atas ini "Pikirkan tentang rangkaian listrik sederhana: perangkat (perangkat apa saja) yang terpasang pada baterai. Kemana listrik mengalir? Tidak berhenti pada perangkat; beberapa di antaranya digunakan untuk melakukan apa pun itu memang perangkatnya, tetapi sisanya berlanjut melalui kabel, kembali ke baterai (karenanya sirkuit tertutup). "

Komentar ini benar jika kita berbicara tentang arus listrik; mengalir melalui sirkuit (tidak bekerja alias menghilangkan panas) dan kembali ke baterai (atau sumber daya). Arus di sini sebenarnya mengacu pada aliran elektron.

Namun, poster aslinya merujuk pada panas alias energi yang hilang. Panas / energi yang hilang tidak kembali ke baterai. Energi dikonsumsi dari baterai dan dihabiskan sepenuhnya melalui panas dalam CPU. Arus listrik adalah masalah yang berbeda.

Ya ya, CPU mengubah banyak listrik yang diserapnya menjadi panas. Kita semua tahu itu; itu sebabnya kami memiliki perangkat pendingin gila yang terpasang ke CPU sekarang.

Namun Anda kehilangan prinsip paling dasar dari elektronik.

Perdebatan Anda membuatnya terdengar seperti ketika listrik memasuki lampu atau motor, semuanya dikonversi menjadi cahaya atau energi kinetik, yang tidak terjadi. Pikirkan tentang rangkaian listrik sederhana: perangkat (perangkat apa saja) yang terpasang pada baterai. Kemana listriknya mengalir? Itu tidak berhenti di perangkat; beberapa digunakan untuk melakukan apa pun yang dilakukan perangkat, tetapi sisanya berlanjut melalui kabel, kembali ke baterai (karenanya sirkuit tertutup ).

Komputer tidak berbeda. Pembawa muatan masuk melalui sumber listrik, masukkan PSU, lalu ke CPU tempat mereka melakukan pekerjaan mereka, buat panas dalam proses, lalu sisanya keluar, kembali ke PSU, dan kembali ke sumber listrik.

Ian Boyd memiliki awal yang baik dengan menunjuk pada transistor , tetapi tidak menindaklanjutinya dengan penjelasan nyata tentang apa sebenarnya listrik digunakan untuk ("hasil" dari perangkat, khususnya sebagai analogi dengan gerakan kipas atau lampu LED). Anda dapat melakukan sedikit riset tentang bagaimana sebuah transistor bekerja untuk benar-benar memahaminya, tetapi cukup untuk mengatakan bahwa listrik digunakan untuk secara fisik mengubah susunan atom bagian dari transistor untuk memungkinkan atau memblokir aliran elektron. Memang "aksinya" tidak sejelas atau sejelas gerakan atau cahaya, tetapi energinya masih digunakan untuk melakukan sesuatu (dan seperti yang disebutkan Ian, sekelompok panas tercipta ketika Anda mendorong atom). Saya telah melihat beberapa foto SEM dari gerbang CPU yang beraksi yang benar-benar membantu memvisualisasikan hal-hal; jika saya dapat menemukannya, saya akan menambahkannya.