Où va la consommation d'énergie dans un ordinateur?

Aujourd'hui, nous avons eu une discussion étrange au déjeuner: qu'est-ce qui provoque exactement la consommation d'énergie d'un ordinateur, en particulier de la CPU? ( ETA: Pour des raisons évidentes, je n'ai pas besoin d'expliquer pourquoi un disque dur, un écran ou des ventilateurs consomment de l'énergie - l'effet y est plutôt évident. )

Les chiffres que vous voyez habituellement indiquent que seul un pourcentage (bien qu'important) de la consommation électrique aboutit à la chaleur. Cependant, que se passe-t-il exactement avec le reste? Un processeur n'est plus un appareil qui déplace mécaniquement des pièces, émet de la lumière ou utilise d'autres méthodes de transformation de l'énergie. La conservation de l’énergie dicte que toute l’énergie qui en sort doit sortir quelque part et pour quelque chose comme un processeur, je ne peux sérieusement pas imaginer que la sortie soit autre chose que de la chaleur.

Le fait que nous soyons informaticiens au lieu d’élèves en génie électrique n’a certainement pas aidé à répondre correctement à la question.

Les électrons sont poussés, cela demande du travail. Et les électrons subissent des "frottements" lorsqu'ils se déplacent, nécessitant plus d'énergie.

Si vous voulez pousser des électrons dans une jonction PNP afin de l'activer, cela nécessite de l'énergie. Les électrons ne veulent pas bouger et ils ne veulent pas se rapprocher; vous devez surmonter leur répulsion mutuelle.

Prenez le processeur le plus simple, un seul transistor isolé:

Les électrons perdent de l'énergie lorsqu'ils se balancent, générant de la chaleur. Et surmonter les champs électriques d’attraction et de répulsion nécessite de l’énergie.

Il y a un article intéressant sur wikipedia sur le principe de Landauer qui dit (citation):

"toute manipulation logiquement irréversible d'informations, telle que l'effacement d'un bit ou la fusion de deux voies de calcul, doit être accompagnée d'une augmentation correspondante par entropie de degrés de liberté non porteurs de l'information du dispositif de traitement de l'information ou de son environnement"

Cela signifie que (citation):

Plus précisément, chaque bit d’information perdu entraînera la libération d’une quantité de chaleur kT ln 2, où k est la constante de Boltzmann et T la température absolue du circuit.

Toujours en train de citer:

Car si le nombre d'états logiques possibles d'un calcul diminuait au fur et à mesure que le calcul avançait (irréversibilité logique), cela constituerait une diminution interdite de l'entropie, à moins que le nombre d'états physiques possibles correspondant à chaque état logique augmente simultanément. d'au moins un montant compensatoire, de sorte que le nombre total d'états physiques possibles ne soit pas inférieur à celui d'origine (l'entropie totale n'a pas diminué).

En conséquence de la deuxième loi de la thermodynamique (et de Landauer), certains types de calculs ne peuvent pas être effectués sans générer une quantité minimale de chaleur, et cette chaleur n'est pas une conséquence de la résistance interne du processeur.

À votre santé!

Pour ajouter aux autres excellentes réponses:

Les chiffres que vous voyez habituellement indiquent que seul un pourcentage (bien qu'important) de la consommation électrique aboutit à la chaleur. Cependant, que se passe-t-il exactement avec le reste?

En fait, presque tout finit en chaleur. Selon la loi de la conservation de l'énergie , toute l'énergie (puissance multipliée par le temps) doit se retrouver quelque part. Presque tous les processus internes d’un ordinateur finissent par transformer l’énergie en chaleur, directement ou indirectement. Par exemple, le ventilateur convertira l'énergie en air en mouvement (= énergie cinétique). Toutefois, l'air en mouvement sera arrêté par friction avec l'air ambiant, ce qui transformera son énergie cinétique en chaleur.

Il en va de même pour le rayonnement (lumière du moniteur, rayonnement EM de tous les composants électriques) et le son (bruits, sons des haut-parleurs) produit par l'ordinateur: ils seront également absorbés et transformés en chaleur.

Si vous lisez un "pourcentage" qui se termine en chaleur, cela peut avoir fait référence à l'alimentation seule. L'alimentation doit en effet transformer un pourcentage important de son apport en énergie électrique, et non en chaleur (bien qu'elle produise également de la chaleur). Cette énergie sera ensuite transformée en chaleur par le reste de l'ordinateur :-).

Cela concerne également le déplacement de votre disque dur et de vos ventilateurs, ainsi que l'éclairage de votre moniteur.

Une partie de cela va à la transmission de données sur le réseau. Pensez à la puissance nécessaire à une grande station de radio. L'ordinateur fait la même chose avec les données du réseau, même à une échelle beaucoup plus petite sur une ligne Ethernet ou une antenne wifi.

De plus, les chemins au sein du processeur et de la carte mère fonctionnent à peu près de la même manière que les transmissions réseau. Il faut de l'énergie pour déplacer les électrons dans ces voies. Un électron peut ne pas avoir beaucoup de masse, mais vous en déplacez des milliards et le faites des milliards de fois par seconde.

L'activation et la désactivation des bits de la mémoire utilise également de l'énergie. En outre, la mémoire de la CPU doit continuer à utiliser l'alimentation pour conserver la mémoire actuelle même lorsque rien d'autre n'est en cours de traitement. Je suis incapable de trouver des chiffres, mais vous m'avez intéressé maintenant, donc si je trouve quelque chose, je l'ajouterai.

Je suis un concepteur de CPU. Permettez-moi de vous fournir une explication la plus simple possible.

"Toute l'énergie électrique est convertie en chaleur."

Tu peux demander; si toute l'énergie électrique est convertie en chaleur, qui fournit l'énergie nécessaire au calcul?

"Tous les calculs électriques dissipent l'énergie thermique."

Dans une CPU (ou tout autre circuit semi-conducteur), le calcul électrique nécessite deux choses:

• Un moyen d'envoyer des informations d'un endroit à un autre (pensez aux fils)
• Une façon d'agir sur l'information (pensez aux transistors)

Dans le monde réel, les fils dépensent de l'énergie thermique car ils ont une résistance non nulle. Les transistors dépensent également de l'énergie thermique car les électrons (et les trous) se bousculent et les atomes dégagent de la chaleur.

Vous pouvez maintenant demander: mon brûleur électrique consomme toute l’énergie électrique sous forme de chaleur mais ne calcule pas. Pourquoi une autre façon est vraie (calcul dépensant de l'énergie thermique).

Cela est dû au fait que les électrons circulent dans le brûleur de manière aléatoire, sans chemin spécifique (inutile pour le calcul), mais dans une CPU, dans un chemin défini avec précision (utile pour le calcul) dicté par la conception matériel / circuit. De toute façon, les électrons se déplacent, provoquant une dissipation de chaleur. En d'autres termes, la seule différence entre un brûleur et une unité centrale réside dans le fait que le premier n'a pas de chemin de chemin électrique spécifique permettant aux électrons de s'écouler et que le second en possède un; simplement parce que les voies des électrons sont différentes, ce n’est pas une raison pour que ces dernières dépensent moins d’énergie thermique.

Continuons le questionnement hypothétique. Pouvons-nous choisir quelque chose de très différent des processeurs et voir comment ils contrastent? Imaginons une voiture garée sur la route. Si je pousse la voiture en avant, le travail effectué par moi (l'énergie fournie par moi) est converti en deux choses: a) le nouvel élan de la voiture et b) de la chaleur due au frottement des pneus / de la route. Attendez une minute, vous dites, l'élan de la voiture. Je peux voir quelque chose de physique qui est arrivé uniquement parce que j'ai dépensé de l'énergie à son égard (moins chaleur / frottement). La chaleur résultant du frottement est perdue (tout comme la chaleur du processeur), mais la quantité de mouvement générée reste utile (par exemple, charger la batterie électrique dans la voiture pendant la régénération). L'utilité de la CPU consiste à exploiter certaines informations (certains arrangements de bits) et à générer un ensemble de nouvelles informations (bits binaires d'entrée et de sortie); l'information est abstraite cependant; pas physique. L'utilité de la voiture est dans le monde physique. Les informations concernent le processeur, alors que le monde physique concerne les voitures. Les deux émettent de la chaleur quand ils font quelque chose d'utile pour nous, mais les voitures font une chose de plus: elles nous déplacent physiquement. Que fait le processeur dans le monde physique au-delà de la génération de chaleur? Rien. Une autre façon de voir comment les processeurs convertissent toute l’énergie électrique en chaleur et rien d’autre.

Attendez une minute, cela signifie réellement; Je peux utiliser les processeurs comme graveurs? Et si mon brûleur électrique est plutôt une unité centrale et que je mets une casserole de cuisson dessus pour cuisiner le dîner. Tu paries! Vous obtenez deux choses: le calcul des aliments et des informations avec le même coût énergétique! Juste très cher brûleur cependant!

D'après ce que j'ai compris, la grande majorité de l'énergie utilisée par un processeur est produite sous forme de chaleur. Pour fonctionner, un système physique convertit ou déplace de l'énergie - le processeur fonctionne en convertissant de l'énergie électrique en chaleur, en modifiant son état interne un grand nombre de fois au cours du processus (de sorte qu'une partie de l'énergie est effectivement stockée pendant un certain temps).

Mise en garde: ma formation pratique en électronique et en physique a pris fin il y a plus de 10 ans, à moins de 20 ans, à moins que vous ne lisiez New Scientist. Un physicien qui passe peut-être sur le point de me dire que je me trompe complètement!

Un répondant a indiqué que presque tout finissait en chaleur. C'est presque correct. En fait, toute la puissance absorbée finit par devenir de la chaleur. Le ventilateur était un bon exemple. Le ventilateur transformera l'énergie en air en mouvement (= énergie cinétique). Toutefois, l'air en mouvement sera stoppé par friction avec l'air ambiant, ce qui transformera son énergie cinétique en chaleur. Le même concept s’applique à la lumière du moniteur, etc. Si vous installez un système informatique d’une puissance de 250 watts dans une pièce fermée, le résultat est le même que si vous mettiez un appareil de chauffage de 250 watts dans la pièce.

Le calcul est la chaleur. Bien sûr, toute la chaleur n’est pas un calcul. Donc, la seule réponse logique à; Combien est perdu à chauffer? La réponse est tout.

Le calcul est organisé chaleur. Sous forme de données. Ce que nous considérons comme de la chaleur perdue n'est que des données désorganisées et non utilisées pour le calcul.

Je voulais répondre à ce commentaire ci-dessus "Pensez à un circuit électrique simple: un appareil (n'importe quel appareil) relié à une batterie. Où va l'électricité? Elle ne s'arrête pas à l'appareil; certaines sont utilisées pour faire n'importe quoi c’est ce que fait l’appareil, mais le reste continue à travers le fil, jusqu’à la batterie (d’où le circuit fermé). "

Ce commentaire est correct si nous parlons de courant électrique; il circule dans le circuit (fonctionne-t-il, dissipe la chaleur) et retourne à la batterie (ou à la source d'alimentation). Le courant ici fait en réalité référence au flux d'électrons.

Cependant, l’affiche originale faisait référence à la chaleur, autrement dit l’énergie dissipée. La chaleur / énergie dissipée ne retourne pas à la batterie. L'énergie est consommée par la batterie et dissipée entièrement par la chaleur dans le processeur. Le courant électrique est une question différente.

Oui, un processeur convertit une grande partie de l’électricité qu’il absorbe en chaleur. Nous savons tous que; C’est pourquoi nous avons des dispositifs de refroidissement insensés reliés à la CPU.

Cependant, il vous manque le principe de base de l'électronique.

Votre débat donne l’impression que, lorsque l’électricité pénètre dans une lumière ou un moteur, tout est converti en lumière ou en énergie cinétique, ce qui n’est pas le cas. Pensez à un simple circuit électrique: un appareil (n'importe quel appareil) relié à une batterie. Où va l'électricité? Cela ne s'arrête pas à l'appareil; une partie est utilisée pour faire tout ce que fait l'appareil, mais le reste continue à travers le fil, jusqu'à la batterie (d'où le circuit fermé ).

Un ordinateur n'est pas différent. Les porteurs de charge entrent par le secteur, entrent dans le PSU, puis dans la CPU où ils effectuent leur travail, créent de la chaleur dans le processus, puis le reste sort, revient au PSU et revient au secteur.

Ian Boyd a bien démarré en montrant un transistor , mais il n’a pas donné d’explication concrète sur la nature exacte de l’utilisation de l’électricité (le «gain» de l’appareil, en particulier en tant qu’analogie avec le mouvement d’un ventilateur ou lumière d'une LED). Vous pouvez faire quelques recherches sur le fonctionnement d'un transistor pour bien le comprendre, mais il suffit de dire que l'électricité est utilisée pour modifier physiquement la disposition atomique d'une partie du transistor afin de permettre ou de bloquer le flux d'électrons. Certes, son «action» n’est pas aussi claire ni évidente que le mouvement ou la lumière, mais l’énergie est toujours utilisée pour faire quelque chose (et comme Ian l’a mentionné, une bouffée de chaleur est créée lorsque vous déplacez des atomes). J'ai vu des photos au MEB d'une porte de processeur en action qui aident vraiment à visualiser les choses; si je peux en trouver un, je l'ajouterai.