电脑的耗电量从何而来？

Question

今天我们在午餐时进行了一个奇怪的讨论：究竟是什么导致了计算机的功耗，尤其是 CPU？（ETA： 出于显而易见的原因，我不需要解释为什么硬盘驱动器、显示器或风扇会耗电——效果非常明显。）

您通常看到的数字表明，只有一部分（尽管很大）的功耗最终会变成热量。然而，其余的究竟发生了什么？CPU 不再（不再）是机械移动部件、发光或使用其他方式转换能量的设备。能量守恒要求所有进入的能量都必须从某个地方出去，对于像 CPU 这样的东西，我真的无法想象输出除了热量之外什么都没有。

我们是计算机科学专业的学生，​​而不是电气工程专业的学生，​​这当然无助于准确回答这个问题。

Answer 1

电子被推来推去，这需要工作。电子在四处移动时会经历“摩擦”，需要更多的能量。

如果您想将电子推入 PNP 结以将其打开，则需要能量。电子不想移动，也不想靠得更近；你必须克服他们的相互排斥。

以最简单的 CPU，一个单独的晶体管为例：

电子在颠簸时会失去能量，从而产生热量。克服吸引力和排斥的电场需要能量。

Answer 2

维基百科上有一篇关于兰道尔原理的有趣文章，其中指出（引用）：

“任何逻辑上不可逆的信息操作，例如删除一个位或合并两个计算路径，都必须伴随着信息处理设备或其环境的非信息承载自由度的相应熵增加”

这意味着（引用）：

具体来说，丢失的每一位信息都会导致释放 kT ln 2 的热量，其中 k 是玻尔兹曼常数，T 是电路的绝对温度。

仍然引用：

因为，如果计算的可能逻辑状态的数量随着计算的进行而减少（逻辑不可逆性），这将构成熵的禁止减少，除非与每个逻辑状态对应的可能物理状态的数量同时增加至少增加一个补偿量，使可能的物理状态总数不小于原来的数量（总熵没有减少）。

因此，作为热力学第二定律（和 Landauer）的结果，某些类型的计算不能在不产生最小热量的情况下完成，并且这种热量不是内部 CPU 电阻的结果。

干杯!

Answer 3

添加其他优秀答案：

您通常看到的数字表明，只有一部分（尽管很大）的功耗最终会变成热量。然而，其余的究竟发生了什么？

实际上，几乎所有东西都以热告终。根据能量守恒定律，所有能量（即功率乘以时间）都必须在某个地方结束。计算机内部的几乎所有过程最终都会直接或间接地将能量转化为热量。例如，风扇将能量转化为移动的空气（=动能），但是移动的空气将通过与周围空气的摩擦而停止，从而将其动能转化为热量。

计算机产生的辐射（显示器发出的光、所有电子元件发出的电磁辐射）和声音（噪音、扬声器发出的声音）等事物也是如此：它们也会被吸收并转化为热量。

如果您读到最终发热的“百分比”，则可能仅指电源。电源确实应该将其输入的很大一部分转化为电能，而不是转化为热量（尽管它也会产生一些热量）。然后，该能量将被计算机的其余部分转化为热量:-)。

Answer 4

其中很多还用于移动您的硬盘驱动器和风扇，以及点亮您的显示器。

其中一些用于通过网络传输数据。想一想大型广播电台为此需要多少功率。计算机对网络数据做同样的事情，即使它通过以太网线或 wifi 天线的规模要小得多。

此外，CPU 和主板内的路径与网络传输的工作方式几乎相同。沿着这些路径移动电子需要能量。一个电子的质量可能不大，但您正在移动数十亿个，并且每秒进行数十亿次。

Answer 5

我是一名CPU设计师。让我提供一个我能想到的最简单的解释。

“所有电能都转化为热量。”

你可能会问；如果所有的电能都转化为热能，谁来提供计算的能量？

“所有的电计算都会耗散热能。”

在 CPU（或任何其他半导体电路）中，电气计算需要两件事：

• 一种将信息从一个地方发送到另一个地方的方法（想想电线）
• 一种对信息采取行动的方法（想想晶体管）

现实世界中的电线消耗热能，因为它们具有非零电阻；晶体管也会消耗热能，因为电子（和空穴）相互碰撞，原子会产生热量。

您现在可能会问：所以我的电燃烧器将所有电能作为热量消耗，但它不会计算。为什么其他方式是正确的（计算消耗热能）。

这是因为电子在燃烧器中随机流动，没有特定的路径（对计算没有用），但在 CPU 中，电子以硬件/电路设计所规定的精确定义的路径（对计算有用）流动。无论哪种方式，电子都会四处移动，从而导致散热。换句话说，燃烧器和 CPU 之间的唯一区别是前者没有特定的电子流动路径，而后者有；仅仅因为电子路径不同，并不能成为后者消耗较少热能的理由。

让我们继续假设性提问。我们可以选择与 CPU 截然不同的东西，看看它们有何不同吗？让我们想象一辆停在路上的汽车。如果我推动汽车前进，我所做的功（我提供的能量）会转化为两件事：a) 汽车的新动量和 b) 由于轮胎/道路摩擦而产生的热量。等一下，你说，汽车的势头。我能看到的一些物理现象，这完全是因为我为它消耗了能量（减去热量/摩擦）。摩擦产生的热量会消失（就像 CPU 热量一样），但产生的动量仍然有用（例如在再生断裂期间为汽车中的电池充电）。CPU 的用处在于对某些信息（位的某种排列）进行操作并生成一组新的信息（输入和输出二进制位）；虽然信息是抽象的；不是身体。汽车的用处在于物理世界。信息适用于 CPU，而物理世界适用于汽车。当它们为我们做一些有用的事情时，它们都会散发热量，但汽车还做一件事：它们使我们在身体上移动。除了产生热量之外，CPU 在物理世界中还能做什么？没有。这是了解 CPU 如何将所有电能转化为热量的另一种方式。

等一下，这实际上意味着；我可以将 CPU 用作刻录机吗？如果我的电燃烧器是 CPU 而我在它上面放了一个平底锅来做饭怎么办。你打赌！你会得到两件事：食物和信息计算具有相同的能量成本！只是非常昂贵的燃烧器！