コンピューターの電力消費はどこに行きますか？

今日、昼食について奇妙な議論がありました。コンピューター、特にCPUの消費電力を正確に引き起こすものは何ですか？（ETA： 明らかな理由で、ハードドライブ、ディスプレイ、またはファンが電力を消費する理由の説明は必要ありません。その影響は明らかです。）

あなたが通常見る数字は、電力消費のパーセンテージだけが（大きなものではあるが）熱で終わることを示しています。しかし、残りの部分はどうなりますか？CPUは（もはや）機械的に部品を動かしたり、光を発したり、エネルギーを変換する他の方法を使用したりするデバイスではありません。エネルギーの節約は、入ってくるすべてのエネルギーをどこかに外に出さなければならないことを指示し、CPUのようなもののために、私は出力が熱以外のものであると真剣に想像することはできません。

電気工学の学生ではなく、コンピュータサイエンスであることは、確かに質問に正確に答える助けにはなりませんでした。

電子は動き回っており、仕事が必要です。そして、電子は動き回るときに「摩擦」を経験し、より多くのエネルギーを必要とします。

オンにするために電子をPNP接合部に押し込みたい場合、エネルギーが必要です。電子は動きたくないし、近くに動きたくない。あなたは彼らの相互反発を克服しなければなりません。

最も単純なCPU、単一の孤立したトランジスタを使用します。

電子は衝突するとエネルギーを失い、熱を発生します。そして、電界と引力の電界を克服するにはエネルギーが必要です。

ウィキペディアには、Landauerの原則に関する興味深い記事があります（引用）：

「ビットの消去や2つの計算パスのマージなど、情報の論理的に不可逆な操作には、情報処理装置またはその環境の非情報を保持する自由度の対応するエントロピー増加を伴う必要があります」

これは、次のことを意味します（引用）：

具体的には、失われた情報の各ビットは、kT ln 2の熱量の放出につながります。ここで、kはボルツマン定数、Tは回路の絶対温度です。

まだ引用しています：

なぜなら、計算が進むにつれて計算の可能な論理状態の数が減少する場合（論理的不可逆性）、各論理状態に対応する可能な物理状態の数が同時に増加しない限り、これはエントロピーの禁止された減少を構成するからです少なくとも物理的な状態の総数が元の数よりも少なくならないように（合計エントロピーは減少しませんでした）。

そのため、熱力学（およびランダウアー）の第2法則の結果として、一部のタイプの計算は最小量の熱を生成せずに実行できず、この熱は内部CPU抵抗の結果ではありません。

乾杯！

他の優れた答えに追加するには：

あなたが通常見る数字は、消費電力のパーセンテージだけが（大きなものではあるが）熱で終わることを示しています。しかし、残りはどうなりますか？

実際には、ほとんどすべてが熱になります。エネルギーの保存の法則により、すべてのエネルギー（時間に電力を乗じたもの）はどこかで終わる必要があります。コンピューター内のほとんどすべてのプロセスは、エネルギーを直接または間接的に熱に変えます。たとえば、ファンはエネルギーを移動空気（=運動エネルギー）に変えますが、移動空気は周囲の空気との摩擦によって停止し、運動エネルギーを熱に変えます。

同じことは、コンピューターが生成する放射（モニターからの光、すべての電気部品からの電磁放射）や音（ノイズ、スピーカーからの音）などにも当てはまります。これらも吸収され、熱に変換されます。

熱で終わる「パーセンテージ」を読んだ場合、それは電源だけに言及したかもしれません。実際、電源は入力の大部分を熱ではなく電力に変換する必要があります（ただし、ある程度の熱も発生します）。このエネルギーは、コンピューターの残りの部分によって熱に変わります:-)。

その多くは、ハードドライブとファンの移動、モニターの点灯にも使用されます。

その一部は、ネットワークを介してデータを送信します。これに大規模なラジオ局が必要とする電力を考えてください。イーサネット回線またはwifiアンテナを介してはるかに小規模な場合でも、コンピューターはネットワークデータで同じことを実行しています。

さらに、CPUおよびマザーボード内のパスは、ネットワーク伝送とほとんど同じように機能します。電子をこれらの経路に移動させるにはエネルギーが必要です。電子の質量はそれほど多くないかもしれませんが、あなたは数十億個の電子を動かしており、1秒あたり数十億回それをしています。

また、メモリビットをオンまたはオフにする際に使用されるエネルギーもあります。さらに、CPUメモリは、他に何も処理されていない場合でも現在のメモリを維持するために電力を使用し続ける必要があります。私は数字を見つけることができませんでしたが、あなたは今私に興味を持っているので、何かを見つけたら私はそれを追加します。

私はCPUデザイナーです。私が考えることができる最も簡単な説明を提供させてください。

「すべての電気エネルギーは熱に変換されます。」

あなたが尋ねることができます。すべての電気エネルギーが熱に変換される場合、計算にエネルギーを提供するのは誰ですか？

「すべての電気計算は熱エネルギーを消費します。」

CPU（またはその他の半導体回路）では、電気計算には2つのことが必要です。

• ある場所から別の場所に情報を送信する方法（配線を考える）
• 情報に基づいて行動する方法（トランジスターを考える）

現実世界のワイヤは、抵抗がゼロではないため熱エネルギーを消費します。電子（および正孔）が互いに衝突して原子が熱を発生させるため、トランジスタも熱エネルギーを消費します。

あなたは今尋ねるかもしれません：私の電気バーナーはすべての電気エネルギーを熱として消費しますが、計算はしません。他の方法が当てはまる理由（計算は熱エネルギーを消費します）。

これは、特定のパスなしで電子がバーナーにランダムに流れるため（計算には役に立たない）、CPUではHW /回路設計によって決定される正確に定義されたパス（計算に役立つ）に電子が流れるためです。いずれにせよ、電子は動き回り、熱放散を引き起こします。言い換えれば、バーナーとCPUの唯一の違いは、前者には電子が流れるための特定の電気経路がなく、後者にはあるということです。電子経路の方法が異なるからといって、後者がより少ない熱エネルギーを消費する理由ではありません。

仮説的な質問を続けましょう。CPUとは非常に異なるものを選択し、それらがどのように対照的であるかを見ることができますか？道路上の駐車中の車を想像してみましょう。車を前進させると、私が行った仕事（私が供給したエネルギー）は、a）車の新しい勢いとb）タイヤ/路面摩擦による熱に変換されます。ちょっと待って、あなたは言う、車の勢い。私はそれに対してエネルギーを費やしたために起こった物理的なものを見ることができます（マイナスの熱/摩擦）。摩擦による熱は失われます（CPUの熱と同じように）が、発生した運動量は依然として有用です（たとえば、ブレーキを回生しているときに車のバッテリーを充電する）。CPUの有用性は、一部の情報（特定のビット配列）を操作し、一連の新しい情報（入力および出力バイナリビット）を生成することです。ただし、情報は抽象的です。物理的ではありません。車の有用性は物理的な世界にあります。情報はCPU用であり、物理世界は車用です。どちらも私たちにとって有用な何かをすると熱を放射しますが、車はもう一つのことをします。物理的な世界では、CPUは熱を発する以外に何をしますか なし。CPUがすべての電気エネルギーを熱に変換する方法を確認するもう1つの方法です。

ちょっと待って、これは実際に意味します。CPUをバーナーとして使用できますか？電気バーナーが代わりにCPUであり、その上に夕食を調理するために調理用パンを置いた場合はどうなりますか。あなたは賭けます！あなたは2つのものを手に入れます：同じエネルギーコストでの食物と情報の計算！ただ非常に高価なバーナー！

私の理解では、CPUが使用するエネルギーの大部分は熱として出力されます。物理システムが動作するためには、エネルギーを変換または移動します-CPUは、電気エネルギーを熱に変換し、途中で内部状態を何度も変更することで動作します（そのため、エネルギーの一部はその間、効果的に保存されます）。

注意：実用的な電子工学と物理学のトレーニングは、10年以上前に20歳前後で停止しました。ただし、New Scientistを読んでいない限り、合格した物理学者は私に完全に間違っていると言うかもしれません。

初期の回答者は、ほとんどすべてのものが熱で終わることを示した。それはほとんど正しいです。実際、すべての電源入力は最終的に熱になります。ファンは良い例でした。ファンはエネルギーを移動空気（=運動エネルギー）に変えますが、移動空気は周囲の空気との摩擦によって停止し、その運動エネルギーを熱に変えます。同じ概念がモニターなどからの光にも当てはまります。250ワットの電力を消費するコンピューターシステムを密閉された部屋に入れると、最終的な結果は部屋に250ワットのヒーターを置くのと同じになります。

計算は熱です。もちろん、すべての熱が計算されるわけではありません。したがって、唯一の論理的な答え; 熱はどれくらい失われますか？答えはすべてです。

計算は組織的な熱です。データの形式。私たちが廃熱と考えるものは、単にデータを整理したものであり、計算には使用されません。

上記のこのコメントに応答したかったのです。「単純な電気回路について考えてみてください。バッテリーに接続されたデバイス（任意のデバイス）。電気はどこに行きますか。それはデバイスが行いますが、残りはワイヤーを介してバッテリーに戻ります（したがって、閉回路になります）。

電流について話している場合、このコメントは正しいです。回路を流れ（熱を放散する働きもします）、バッテリー（または電源）に戻ります。ここでの電流は、実際には電子の流れを指します。

ただし、元のポスターは熱、つまり散逸エネルギーについて言及していました。熱/エネルギー散逸はバッテリーに戻りません。エネルギーはバッテリーから消費され、CPUの熱によって完全に消費されます。電流は別の問題です。

はい、はい、CPUは吸収した多くの電気を熱に変換します。我々はすべてそれを知っている; そのため、CPUにこのようなクレイジーな冷却デバイスが接続されています。

ただし、電子機器の最も基本的な原理が欠けています。

あなたの議論は、電気がライトまたはモーターに入ると、すべてが光または運動エネルギーに変換されるように聞こえますが、そうではありません。単純な電気回路について考えてみましょう。バッテリーに接続されたデバイス（任意のデバイス）です。電気はどこに行きますか？デバイスで停止しません。その一部はデバイスの動作に使用されますが、残りはワイヤを介してバッテリーに戻ります（そのため閉回路になります）。

コンピューターも同じです。チャージキャリアは主電源から入り、PSUに入り、CPUで処理を行い、プロセスで熱を発生させ、残りは出て、PSUに戻り、主電源に戻ります。

イアン・ボイドはトランジスタを指して良いスタートを切ったが、電気が正確に何に使用されているのかを具体的に説明していなかった（デバイスの「ペイオフ」、特にファンの動きやLEDの光）。トランジスタが実際にそれを理解するためにどのように動作するかについて少し研究することができますが、電子の流れを許可または遮断するためにトランジスタの一部の原子配列を物理的に変更するために電気が使用されると言えば十分です。その「作用」は、動きや光ほど明確でも明白でもありませんが、エネルギーはまだ何かをするために使用されます（そして、Ianが述べたように、原子を動かすと大量の熱が発生します）。実際に物事を視覚化するのに役立つCPUゲートの動作のSEM写真を見てきました。見つかったら追加します。