CPU 열을 사용하여 전기 생성

저는 Tanenbaum의 구조적 컴퓨터 조직을 읽고 있으며 CPU 클럭 속도를 높이는 주요 병목 중 하나는 열입니다. 그래서 나는 생각하기 시작했다 : 방열판을 완전히 제거하고 더 많은 전기를 생산하기 위해 그 열을 사용할 수 있습니까? 나는 이것을 조사하고 다음 열전 재료 와이 열전 발전기를 발견했다 .

필자는 Wikipedia 기사에서 "실리콘-게르마늄 합금은 현재 약 1000 ° C (...)의 최고 열전 재료" 이며 CPU가 일반적으로 30 ~ 40 ° C에서 작동한다는 것을 알고 있습니다. 따라서 1000 ° C에 도달하려면 더 많은 CPU가 필요합니다.

그래서 나는 생각했습니다 : 더 많은 열을 모으기 위해 방열판없이 많은 CPU를 병렬로 배치 하는 것은 어떻습니까? 또한 이러한 CPU를 오버 클로킹하고 얼마나 많은 열을 생성 할 수 있는지 확인할 수 있습니다.

그러나 나는 붙어있다. 다음에 무엇을 생각해야할지 모르겠습니다. 그것이 좋은 생각인지조차 모르겠습니다.

내 질문은 : 왜 CPU의 열에서 전기를 생성하는 일종의 방열판을 개발하지 않습니까? 나는 누군가 이미 그것에 대해 생각하고 그것을하지 않는 이유에 대해 생각해야한다는 것을 알고 있지만 이해할 수는 없습니다.

그렇다면 왜 불가능할까요?

설명을 위해 편집 : CPU가 1000 ° C에서 작동하지 않기를 바랍니다. 필자는 추론 단계 (정확하지는 않지만)를 대략적으로 나열합니다.

1. CPU 클록 속도는 작동 온도 (T)에 의해 제한됩니다.
2. CPU는 열을 발생시킵니다. 열은 T를 상승시킵니다.
3. 방열판은 T = 40 ° C를 유지하기 위해 열을 처리합니다.
4. 방열판을 열전 발전기로 교체하십시오 (SiGe 또는 유사한 재료로 제작)
5. 많은 CPU를 나란히 배치하여 발열량을 늘리십시오.
6. CPU에서 TEG로 열이 방출되므로 CPU는 T = 40 ° C를 유지합니다.
7. 이것이 가능한가?
8. 그러한 TEG를 구축하는 방법? 어떤 재료를 사용해야합니까?
9. 왜 그러한 장치가 존재하지 않습니까?
10. 이 질문을했다.

EDIT2 : 내 생각이 근본적으로 잘못되고 나쁘다는 것을 알았습니다. 모든 답변과 의견에 감사드립니다. 오해에 대해 죄송합니다.

tl; dr 그렇습니다 . CPU의 폐열에서 소량의 전력을 추출 할 수 있지만, 추출하려는 전력이 많을수록 방열판이 커야합니다.

설명 변환 전원에 열을 어떤 기계, 기계 만하는 변환 열이 없습니다 차이힘으로. 귀하의 경우, 그 차이는 CPU 온도와 환경 온도 사이의 차이입니다. 이 프로세스의 최대 이론 효율은 (1-T_cold / T_hot)이므로 환경 온도 25 ℃, CPU 온도 40 ℃ 및 열 흐름 50W의 경우 이상적인 변환기를 사용하여 2.4 와트의 전기를 생성 할 수 있습니다 (온도는 켈빈 단위의 절대 온도입니다). CPU가 60 ° C에 도달하면 최대 5 와트를 얻을 수 있으며 100 ° C를 허용하면 최대 10 와트를 얻을 수 있습니다. 실제 열 전력 변환기는 특히 열전 소자보다 비효율적입니다. 이상적인 효율성에 더 가까운 스털링 엔진을 추천합니다.

수동 방열판으로 열이 흐르는 방식은 다음과 같습니다.

[CPU] --> [Environment]

CPU-to-Environment 접점은 켈빈 / 와트로 측정 된 열 저항을 가지며, 전압 / 암페어에서 전기 저항을 측정하는 방법과 직접적으로 동일합니다. 일부 데이터 시트에서 켈빈 / 와트 값이 발생했을 수 있습니다. 이상적인 방열판은 저항이 0이므로 온도 차이가 0이고 CPU가 주변 온도 (25 ℃)에서 작동합니다. 실제 히트 싱크가 0.5K / W이고 열 흐름이 50W (CPU가 50W의 열을 발생) 인 경우 온도 차이는 25K이고 CPU는 50 ℃입니다.

다음은 제안 된 기계에서 열이 흐르는 방식입니다.

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

세 지점 모두에서 열 저항, 즉 온도 차이가 있습니다. CPU와 머신의 핫 엔드 간 연결이 이상적이라고 가정합니다. 즉, 동일한 온도에 있습니다. 기계 내부의 열 저항은 전기를 생성하는 데 사용됩니다. 콜드 엔드와 환경 사이의 열 저항은 콜드 엔드 방열판에 의해 제공됩니다.

콜드 엔드의 방열판이 0.5K / W의 CPU에 사용 된 것과 동일하며 CPU의 온도가 50 ℃가되어야한다고 가정합니다. 그러면 머신의 콜드 엔드는 이미 50 ℃입니다. 기계에 온도 차이가 없을 수 있습니다. 즉, 전력을 생산할 수 없습니다. 방열판을 두 번 사용했을 때 (0.25K / W) 큰 경우 냉각 단의 온도는 37.5 ℃이고 기계의 온도 차이는 12.5 ℃이므로 약간의 전력을 생성 할 수 있습니다.

온도차에서 전력을 추출하는 기계는 모두 열 저항이 같습니다 (temperature difference)/(Heat flow). 머신의 열 저항이 방열판의 열 저항에 추가되므로 그 사이에 머신이 있으면 CPU 온도가 항상 더 높아집니다.

BTW 일부 오버 클로 커는 반대 방향으로갑니다 : 열을 방출하는 열전 소자를 추가하여 전력을 사용하여 CPU에서 방열판으로 열을 펌핑하여 음의 온도 차이를 만듭니다. CPU가 콜드 엔드에 있고 방열판이 핫 엔드에 있습니다.

BTW 이것이 원자력 발전소가 콜드 엔드 방열판으로 작동하는 거대한 냉각탑을 갖는 이유입니다.

열전 발전기의 문제는 끔찍하게 비효율적이라는 것입니다.

CPU의 경우 발생하는 열을 제거하거나 녹입니다.

펠티에 모듈을 연결하고 소량의 전기를 추출 할 수 있지만 기존의 열 교환 방법을 통해 나머지 열을 분산시켜야합니다. 발전량은 설비 비용을 보증하기에 충분하지 않을 수 있습니다.

펠티어를 냉각기로 사용할 수도 있습니다. 그러나 열을 펌핑하려면 전원을 추가해야합니다. 그런 다음 열교환기를 통해 제거 할 열과 함께 해당 전력을 분산시켜야합니다. 결국 후자는 더 커야하므로 순 효과가 악화됩니다.

힘에 대한 열은 "거룩한 성배"아이디어이며 이론적 인 꿈으로 차가운 퓨전이 있습니다.

명확성을 위해 편집

열을 전기로 효율적으로 직접 변환하는 것은 "성배"아이디어이며 이론적 인 꿈으로 차가운 융합으로 이어지고 있습니다.

전기를 생산하려면 효율을 극대화하기 위해 핫 사이드 (프로세서)를 가능한 한 뜨겁게 만들어야합니다. 열 발생기는 열에서 에너지를 추출 할 때 열의 이동을 느리게합니다.

계산을 수행하려면 프로세서가 가능한 한 차가워 지기 를 원합니다 . 온도가 높을수록 실리콘의 전기 저항이 증가합니다. 이것이 전도성이 높은 방열판, 팬 등이있는 이유입니다.

이러한 요구 사항은 서로 직접 모순됩니다.

아무도 이것을 언급하지 않은 것에 놀랐습니다.

연료를 연소시키는 일부 공정에서 폐열로 전기를 생성하는 것이 이치에 맞습니다. 우선 전기로 구동되는 시스템에서 폐열로 전기를 생성 하는가? 말이되지 않습니다. 그렇게함으로써 에너지를 절약 할 수 있다면, 전기를보다 효율적으로 사용하는 시스템을 구축함으로써 더 많은 에너지를 절약 할 수 있습니다.

열역학의 법칙에 따르면 같은 온도의 두 에너지 원을 합치는 것이 더 높은 에너지 수준과 동일하지는 않습니다. 예를 들어, 뜨거운 물 한 컵을 다른 뜨거운 물 한 컵에 붓는다 고해서 컵이 다른 컵보다 더 뜨겁지는 않습니다.

열은 또한 당신이 할 수있는 일이 거의 없다는 점에서 가장 낮은 에너지 형태 중 하나입니다. 전기는 회로를 작동시킬 수 있고, 바람은 기계적인 운동을 일으킬 수 있지만 열은 더 많은 에너지를 유체 나 고체에 넣는 것 이상으로 할 수 없습니다.

즉, 열에서 에너지를 얻는 가장 실현 가능한 방법은 터빈을 회전시키기 위해 유체 (예를 들어 물)를 비등하는 것입니다. CPU가 모두 100C 이상인 경우 여러 개의 방열판을 결합하여 욕조에 연결하면 물이 끓을 수 있습니다. 그러나 아마도 추론 할 수 있듯이 이것은 끔찍한 아이디어입니다.

웃기는 생각이지만 아닙니다. CPU는 단순한 칩이 아니며 본딩 와이어와 케이싱이있어 1000 ° C에서 정확하게 우연히 견딜 수는 없습니다.

그 외에도 열역학 법칙이 여전히 고려되고 있습니다. 당신은 여전히 ​​작게 나가려면 시스템에 엄청난 양의 에너지를 넣어야합니다. 언급하고있는 Peltier 소자는 큰 dT (차가운면과 뜨거운면의 차이)가 필요하므로 단순히 방열판을 제거하면 "차가운"면이 뜨거운면과 동일한 온도로 올라 와서 더 이상 에너지를 얻을 수 없습니다. 차가운면을 식혀 야 효율이 훨씬 떨어집니다. 한편, 이러한 Peltier 요소는 CPU 냉각과 같은 온도 차이를 생성하는 데 사용될 수 있습니다.

이론적으로 는 가능합니다 . 표면 중 하나가 40c에 있고 다른 하나가 20c에있을 때 전기를 생성하는 일부 "물질"만 있으면됩니다.
현재, 정확히 이것을 수행하는 열전대가 있지만 (열을 전기로 변경) 훨씬 더 높은 온도에 있습니다.