CPUの熱を使用して電気を生成する

私はTanenbaumのStructured Computer Organizationを読んでいますが、CPUクロック速度を上げるための主要なボトルネックの1つは熱だと彼は言います。だから私は考え始めました：ヒートシンクを完全に取り外して、その熱を使用してより多くの電気を生成することは可能ですか？私はこれを探していて、これらの熱電材料とこの熱電発電機を見つけました：

そのウィキペディアの記事で、「シリコン-ゲルマニウム合金は現在、1000°C付近で最高の熱電材料です（...）」と読みましたが、CPUは通常30〜40°C程度で動作します。したがって、1000°Cに到達するにはより多くのCPUが必要になります。

だから私は考えた：より多くの熱を集めるために、ヒートシンクなしで多くのCPUを並列に配置するのはどうだろうか？また、これらのCPUをオーバークロックして、どれくらいの熱が発生するかを確認することもできます。

しかし、私は立ち往生しています。次に何を考えるべきかわかりません。それが良い考えかどうかさえわかりません。

私の質問は、CPUの熱から電気を生成するヒートシンクを開発してみませんか？私は誰かがすでにそれについて考えていて、それをしない理由を考えているに違いないことを知っていますが、私はそれを理解できません。

それで、なぜそれは不可能ですか？

明確化のために編集： CPUを1000°Cで動作させたくない。推論手順をリストします（必ずしも正しいとは限りません）。

1. CPUクロック速度は、動作温度（T）によって制限されます。
2. CPUは発熱します。熱によりTが上昇します。
3. ヒートシンクは、T = 40°Cを維持するためにその熱を処理します。
4. ヒートシンクを熱電発電機（SiGeまたは同様の材料から構築）に交換します
5. 多くのCPUを並べて配置し、発熱を増やします。
6. CPUからTEGに熱が発生するため、CPUはT = 40°Cのままです。
7. これは可能ですか？
8. このようなTEGを構築する方法は？使用する材料は？
9. そのようなデバイスがまだ存在しないのはなぜですか？
10. この質問をした。

EDIT2：私の考えは根本的に間違っていて悪いと思います。すべての回答とコメントをありがとう。誤解についてすみません。

tl; dr はい、CPUの廃熱から少量の電力を抽出できますが、抽出する電力が大きいほどヒートシンクは大きくなければなりません。

説明 熱を電力に変換する機械はなく、熱差を変換する機械のみパワーに。あなたの場合、その差はCPU温度と環境温度の差です。このプロセスの最大理論効率は（1-T_cold / T_hot）であるため、25℃の環境温度、40℃のCPU温度、50 Wの熱流では、理想的なコンバータで2.4ワットの電力を生成できます。 （温度はケルビンの絶対温度です）。CPUが60℃に達することを許可すると、最大5ワットを取得でき、100℃を許可すると、最大10ワットを取得できます。実際の熱/電力変換器は、特に熱電素子ではより非効率的です。理想的な効率に近いスターリングエンジンをお勧めします。

これは、受動ヒートシンクで熱が流れる方法です。

[CPU] --> [Environment]

CPUと環境の接合部には、ケルビン/ワットで測定される熱抵抗があり、電気抵抗がボルト/アンペアで測定される方法と直接同等です。一部のデータシートでケルビン/ワット値に遭遇した可能性があります。理想的なヒートシンクの抵抗はゼロであるため、温度差は0であり、CPUは環境温度（25℃）で動作します。0.5K / Wの実際のヒートシンクと50Wの熱流（CPUは50Wの熱を生成します）では、温度差は25Kで、CPUは50℃です。

これは、提案されたマシンで熱が流れる方法です。

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

3点すべてに熱抵抗、つまり温度差があります。CPUとマシンのホットエンド間の接続が理想的であると仮定しましょう。つまり、それらは同じ温度にあります。機械内部の熱抵抗は、電気を生成するために使用されます。コールドエンドと環境の間の熱抵抗は、コールドエンドヒートシンクによって与えられます。

コールドエンドのヒートシンクはCPUに使用したものと同じで、0.5K / Wで、CPUを50℃にしたいとします。マシンのコールドエンドはすでに50℃になっています。また、機械全体に温度差がないようにすることもできます。つまり、電力を生成することはできません。ヒートシンクを2回使用すると（0.25K / W）、コールドエンドは37.5℃になり、マシン全体の温度差は12.5℃になるため、少しの電力を生成できます。

温度差から電力を抽出する機械は、熱抵抗がに等しくなり(temperature difference)/(Heat flow)ます。マシンの熱抵抗はヒートシンクの熱抵抗に追加されるため、間にマシンがある場合、CPU温度は常により高くなります。

ところで、オーバークロッカーの中には逆の方法もあります。逆の動作をする熱電素子を追加し、電力を使用してCPUからヒートシンクに熱を送り、負の温度差を作り出します。CPUはコールドエンドにあり、ヒートシンクはホットエンドにあります。

ところで、原子力発電所には、冷却端ヒートシンクとして機能する巨大な冷却塔があります。

熱電発電機の問題は、熱効率が非常に悪いことです。

CPUの場合、発生する熱を取り除くか、溶けてしまいます。

ペルチェモジュールを接続して、そこから少量の電気を取り出すこともできますが、それでも従来の熱交換方法で残りの熱を放散する必要があります。生成される電気の量は、セットアップのコストを保証するのに十分なほど大きくない可能性があります。

ペルチェをクーラーとして使用することもできます。ただし、熱を排出するために電力を追加する必要があります。その電力は、熱交換器を介して除去する熱とともに消散する必要があります。最終的には、後者を大きくする必要があるため、最終的な効果は悪化します。

熱から力への変換は「聖杯」のアイデアであり、理論的夢として常温核融合で実現しています。

わかりやすく編集

熱から電気への効率的な直接変換は「聖杯」のアイデアであり、理論的夢として常温核融合を使用しています。

電気を生成するには、最高の効率を得るために、ホットサイド（プロセッサ）を可能な限り高温にする必要があります。熱発生器は、エネルギーを抽出するため、熱の動きを遅くします。

計算を行うには、プロセッサをできるだけ低温にする必要があります。温度が高くなると、シリコンの電気抵抗が増加します。これが、伝導性の高いヒートシンクやファンなどを備えている理由です。できるだけ早く熱を逃がすためです。

これらの要件は互いに直接矛盾します。

誰もこれに言及していないことに驚いた：

燃料を燃焼させるプロセスの廃熱から電気を生成することは理にかなっています。そもそも電気を動力とするシステムの廃熱から電気を生成しますか？それは意味がありません。そうすることでエネルギーを節約できる場合は、そもそも電気をより効率的に使用するシステムを構築することで、さらにエネルギーを節約することができます。

熱力学の法則は、同じ温度の2つのエネルギー源をまとめることは、より高いエネルギーレベルに相当するとは述べていません。たとえば、1杯のお湯を別の1杯のお湯に注いでも、その組み合わせが別々のカップよりも熱くなることはありません。

また、熱は、それを使ってできることはほとんどないという点で、エネルギーの最も低い形態の1つです。電気は回路を走らせることができ、風は機械的な動きを作り出すことができますが、熱は流体または固体により多くのエネルギーを投入する以上のことはできません。

そうは言っても、熱からエネルギーを得る最も実現可能な方法は、流体（たとえば水）を沸騰させてタービンを回すことです。複数のヒートシンクをまとめてタブに取り付けると、CPUの温度がすべて100 Cを超える場合、水が沸騰する可能性があります。しかし、おそらく推測できるように、これはひどい考えです。

面白い考えですが、違います。CPUは単なるチップではなく、ボンディングワイヤとケーシングがありますが、これらは正確には1000°Cではチャンスになりません。

それはさておき、考慮すべき熱力学の法則がまだいくつかあります。あなたはまだ非常に少ないを得るためにシステムに膨大な量のエネルギーを投入する必要があります。参照するペルチェ素子には大きなdT（低温側と高温側の差）が必要なので、ヒートシンクを取り外すだけで「低温」側が高温側と同じ温度になるため、ここでエネルギーを得る必要はありません。冷気側を冷却する必要がありますが、これにより効率がさらに損なわれます。一方、これらのペルチェ素子を使用して、CPUを冷却する場合と同様に温度差を生成できます。

理論的には可能です。必要なのは、表面の一方が40cでもう一方が20cのときに電気を生成する「物質」です。
現在、まさにこれを行う（熱を電気に変える）熱電対がありますが、はるかに高い温度です。