컴퓨터에서 전력 소비는 어디에 있습니까?

오늘 우리는 점심에 대해 이상한 토론을했습니다. 컴퓨터, 특히 CPU에서 정확히 전력 소비를 일으키는 원인은 무엇입니까? ( ETA : 분명한 이유로 하드 드라이브, 디스플레이 또는 팬이 전력을 소비하는 이유에 대한 설명이 필요하지 않습니다. 그 결과는 분명합니다. )

일반적으로 나타나는 수치는 전력 소비의 일정 비율 (대부분은 아니지만) 만 열로 끝나는 것을 나타냅니다. 그러나 나머지는 어떻게됩니까? CPU는 기계적으로 부품을 움직이거나, 빛을 방출하거나, 다른 방식으로 에너지를 변환하는 장치가 아닙니다. 에너지 절약은 들어오는 모든 에너지가 어딘가로 나가야하고 CPU와 같은 것을 위해서는 그 출력이 열 이외의 것을 진지하게 상상할 수 없습니다 .

우리는 전기 공학 학생 대신 컴퓨터 과학을하는 것이 질문에 정확하게 대답하는 데 도움이되지 않았습니다.

전자가 밀려 나서 작업이 필요합니다. 그리고 전자는 더 많은 에너지를 필요로하고 움직일 때 "마찰"을 경험합니다.

전자를 PNP 접합으로 밀어 넣으려면 에너지가 필요합니다. 전자는 움직이고 싶지 않으며 서로 더 가까이 움직이고 싶지 않습니다. 상호 반발을 극복해야합니다.

가장 단순한 CPU, 단일, 단일 트랜지스터를 사용하십시오.

전자는 충돌 할 때 에너지를 잃어 열을 발생시킵니다. 그리고 인력과 반발의 전기장을 극복하기 위해서는 에너지가 필요합니다.

Landauer의 원칙 에 대해 위키피디아 에 대한 흥미로운 기사가 ​​있습니다 .

"비트 소거 또는 2 개의 계산 경로의 병합과 같은 논리적으로 돌이킬 수없는 정보 조작은 정보 처리 장치 또는 그 환경의 자유도를 갖는 정보가없는 정보의 엔트로피 증가를 동반해야합니다."

이것은 다음을 의미합니다.

구체적으로, 손실 된 정보의 각 비트는 열량 kT ln 2의 방출로 이어질 것이며, 여기서 k는 볼츠만 상수이고 T는 회로의 절대 온도이다.

여전히 인용 :

계산이 진행됨에 따라 계산 가능한 논리 상태의 수가 감소하는 경우 (논리적 비가역성), 각 논리 상태에 해당하는 가능한 물리적 상태의 수가 동시에 증가하지 않는 한 이것은 엔트로피의 금지 된 감소를 구성합니다. 가능한 물리적 상태의 총 수가 원래보다 작지 않도록 (보통 엔트로피가 감소하지 않도록) 적어도 보상 량만큼 감소시킨다.

따라서 열역학 제 2 법칙 (및 Landauer) 의 결과로 , 최소한의 열을 생성 하지 않으면 일부 유형의 계산을 수행 할 수 없으며이 열은 내부 CPU 저항의 결과가 아닙니다.

건배!

다른 훌륭한 답변을 추가하려면 :

일반적으로 나타나는 수치는 전력 소비의 일정 비율 (대부분은 아니지만) 만 열로 끝나는 것을 나타냅니다. 그러나 나머지는 어떻게됩니까?

실제로, 거의 모든 것이 열로 끝납니다. 의 법칙에 의해 에너지의 보존 (시간을 곱한 힘), 모든 에너지 가 어딘가를 종료합니다. 컴퓨터 내부의 거의 모든 프로세스는 에너지를 직접 또는 간접적으로 열로 전환합니다. 예를 들어, 팬은 에너지를 움직이는 공기 (= 운동 에너지)로 전환하지만 움직이는 공기는 주변 공기와의 마찰에 의해 정지되어 운동 에너지를 열로 전환합니다.

컴퓨터가 생성하는 방사선 (모니터의 빛, 모든 전기 부품의 EM 방사선) 및 소리 (소음, 스피커의 소리)와 같은 것들도 마찬가지입니다. 그것들도 흡수되어 열로 변환 될 것입니다.

열로 끝나는 "백분율"을 읽으면 전원 공급 장치 만 언급했을 수 있습니다. 전원 공급 장치는 실제로 입력의 대부분을 열이 아닌 전력으로 전환해야합니다 (열도 발생하지만). 이 에너지는 컴퓨터의 나머지 부분에서 열로 바뀔 것입니다 :-).

또한 하드 드라이브와 팬을 옮기고 모니터를 켜는 데 많은 도움이됩니다.

일부는 네트워크를 통해 데이터를 전송합니다. 큰 라디오 방송국이이를 위해 얼마나 많은 전력이 필요한지 생각해보십시오. 이더넷 회선 또는 Wi-Fi 안테나를 통해 훨씬 작은 규모의 컴퓨터라도 네트워크 데이터와 동일한 작업을 수행합니다.

또한 CPU 및 마더 보드 내의 경로는 네트워크 전송과 거의 같은 방식으로 작동합니다. 이러한 경로로 전자를 이동 시키려면 에너지가 필요합니다. 전자는 질량이 크지 않지만, 수십억 개를 움직이고 초당 수십억 번하고 있습니다.

메모리 비트를 켜고 끄는 데 사용되는 에너지도 있으며, CPU 메모리는 다른 처리가 진행되지 않더라도 현재 메모리를 유지하기 위해 전원을 계속 사용해야합니다. 나는 그림을 찾을 수 없었지만 지금 관심이 있으니 무언가를 찾으면 그것을 추가 할 것입니다.

저는 CPU 디자이너입니다. 내가 생각할 수있는 가장 간단한 설명을하겠습니다.

"모든 전기 에너지는 열로 변환됩니다."

당신은 요청할 수 있습니다; 모든 전기 에너지가 열로 변환되면 누가 계산을위한 에너지를 제공합니까?

"모든 전기 계산은 열 에너지를 소산시킵니다."

CPU (또는 다른 반도체 회로)에서 전기 계산에는 두 가지가 필요합니다.

• 한 곳에서 다른 곳으로 정보를 보내는 방법 (와이어 생각)
• 정보를 다루는 방법 (트랜지스터 생각)

실제 전선은 저항이 0이 아니기 때문에 열 에너지를 소비합니다. 트랜지스터는 또한 전자 (및 정공)가 서로 충돌하여 열을 발생시키는 원자이기 때문에 열 에너지를 소비합니다.

이제 전기 버너가 모든 전기 에너지를 열로 소비하지만 계산하지는 않습니다. 다른 방법이 참인 이유 (열 에너지 소비 계산).

이는 전자가 특정 경로없이 버너에서 무작위로 흐르기 때문에 (계산에 유용하지 않음), CPU 전자는 HW / 회로 설계에 의해 지시 된 정확하게 정의 된 경로 (계산에 유용함)로 흐르기 때문입니다. 어느 쪽이든, 전자가 움직여 열 분산을 일으 킵니다. 다시 말해, 버너와 CPU의 유일한 차이점은 전자는 전자가 흐를 수있는 특정한 전기적 경로가없고 후자는 그렇지 않다는 것입니다. 전자 경로 방식이 다르기 때문에 후자가 열 에너지를 적게 소비하는 이유는 아닙니다.

가설적인 질문을 계속합시다. CPU와는 매우 다른 것을 골라 어떻게 대조 할 수 있습니까? 도로에 주차 된 차를 상상해 봅시다. 차를 앞으로 밀면 나에 의해 수행 된 작업 (나가 공급 한 에너지)은 두 가지로 변환됩니다. a) 자동차의 새로운 운동량 및 b) 타이어 / 도로 마찰로 인한 열. 잠깐만, 카의 운동량. 육체적으로 열이 나거나 마찰이없는 에너지를 소비했기 때문에 어떤 일이 일어 났는지 알 수 있습니다. 마찰로 인한 열은 (CPU 열과 마찬가지로) 손실되지만 생성 된 운동량은 여전히 ​​유용합니다 (회생 중 차에서 전기 배터리 충전 등). CPU의 유용성은 일부 정보 (일부 비트 배열)에서 작동하고 새로운 정보 세트 (입력 및 출력 이진 비트)를 생성하는 데 있습니다. 정보는 추상적이다. 물리적이 아닙니다. 자동차의 유용성은 실제 세계에 있습니다. 물리적 세계는 자동차를위한 반면 정보는 CPU를위한 것입니다. 둘 다 우리에게 유용한 일을 할 때 열을 발산하지만 자동차는 한 가지 더 일을합니다. 물리적 세계에서 CPU는 열을 생성하는 것 이상으로 무엇을합니까? 아무것도. CPU가 모든 전기 에너지를 열로 변환하는 방법을 보는 또 다른 방법.

잠깐만, 이것은 실제로 의미합니다. 버너로 CPU를 사용할 수 있습니까? 전기 버너가 대신 CPU 인 경우 저녁 식사를 위해 요리 팬을 올려 놓으면 어떻게됩니까? 내기! 동일한 에너지 비용으로 식품 및 정보 계산의 두 가지를 얻을 수 있습니다! 그래도 아주 비싼 버너!

내 이해는 CPU가 사용하는 에너지의 대부분이 열로 출력된다는 것입니다. 물리적 시스템이 에너지를 변환하거나 이동시키는 작업-CPU는 전기 에너지를 열로 변환하여 그 과정에서 내부 상태를 여러 번 변경함으로써 작동합니다 (따라서 일부 에너지는 한동안 효과적으로 저장됩니다).

주의 사항 : 당신이 새로운 과학자를 읽지 않는 한, 실제 전자 및 물리 교육은 20 년 전에 20 년경에 멈췄습니다.

Eariler 응답자는 거의 모든 것이 열로 끝나는 것으로 나타났습니다. 거의 맞습니다. 실제로 모든 전원 입력은 결국 열로 끝납니다. 팬은 좋은 예였습니다. 팬은 에너지를 움직이는 공기 (= 운동 에너지)로 바꾸지 만, 움직이는 공기는 주변 공기와의 마찰에 의해 정지되어 운동 에너지를 열로 바꿉니다. 250 와트의 전력을 소비하는 컴퓨터 시스템을 밀폐 된 방에 넣으면 그 결과는 250 와트 히터를 방에 두는 것과 같습니다.

계산은 열입니다. 물론 모든 열이 계산은 아닙니다. 따라서 유일한 논리적 인 대답은 다음과 같습니다. 열이 얼마나 손실됩니까? 대답은 전부입니다.

계산은 체계적인 열입니다. 데이터 형태. 우리가 폐열로 간주하는 것은 단지 비 구조화 된 데이터이며 계산에는 사용되지 않습니다.

나는 "단순한 전기 회로에 대해 생각하고 싶다 : 배터리에 부착 된 장치 (모든 장치). 전기는 어디로 가는가? 장치에서 멈추지 않고 일부는 무엇이든하는 데 사용된다" 이 장치는 그렇지 않지만 나머지는 와이어를 통해 배터리로 다시 연결됩니다 (따라서 폐쇄 회로). "

우리가 전류에 대해 이야기하고 있다면이 의견은 정확합니다. 회로를 통해 흐르고 (일어나 일이 열을 소산) 배터리 (또는 전원)로 돌아갑니다. 여기의 전류는 실제로 전자의 흐름을 나타냅니다.

그러나 원래의 포스터는 일명 에너지 소산 된 열을 언급하고있었습니다. 열 / 에너지 분산은 배터리로 돌아 가지 않습니다. 배터리에서 에너지가 소비되고 CPU의 열을 통해 완전히 소산됩니다. 전류는 다른 문제입니다.

예, CPU는 흡수하는 많은 전기를 열로 변환합니다. 우리는 모두 그것을 알고 있습니다. 그렇기 때문에 우리는 CPU에 미친 냉각 장치가 붙어 있습니다.

그러나 가장 기본적인 전자 공학 원리가 빠졌습니다.

당신의 토론은 전기가 빛이나 모터에 들어올 때 들리는 것처럼 들립니다. 모든 것이 빛이나 운동 에너지로 변환되는데, 그렇지 않습니다. 간단한 전기 회로, 배터리에 연결된 장치 (모든 장치)를 생각해보십시오. 전기는 어디로 갑니까? 장치에서 멈추지 않습니다. 그중 일부는 장치가하는 일을 수행하는 데 사용되지만 나머지는 전선을 통해 배터리로 다시 이어집니다 (따라서 폐쇄 회로 ).

컴퓨터도 다르지 않습니다. 충전 캐리어는 주전원을 통해 들어 와서 PSU에 들어간 다음 작업을 수행하는 CPU로 이동하여 프로세스에서 열을 생성 한 다음 나머지는 PSU로 돌아오고 다시 주전원으로 나옵니다.

이안 보이드 (Ian Boyd)는 트랜지스터 를 가리켜 서 좋은 출발을 보였지만, 정확히 전기가 무엇에 사용되는지 (장치의“지불 (payoff)”, 구체적으로 팬의 움직임과 유사하게) LED의 빛). 트랜지스터가 실제로 그것을 이해하기 위해 어떻게 작동하는지에 대해 약간의 연구를 할 수 있지만, 전자 흐름을 허용하거나 차단하기 위해 트랜지스터의 원자 배열을 물리적으로 변경하는 데 전기가 사용된다고 말하는 것으로 충분합니다. 그것의“행동”은 운동이나 빛만큼이나 명확하지는 않지만 에너지는 여전히 무언가를하는 데 사용됩니다. (Ian이 언급했듯이, 원자를 밀면 많은 열이 발생합니다). CPU 게이트의 일부 SEM 사진을보고 실제로 시각화하는 데 도움이되었습니다. 찾을 수 있으면 추가하겠습니다.