コンピュータの消費電力はどこに行きますか？
今日、昼食時に奇妙な議論がありました。コンピュータ、特にCPUの電力消費を正確に引き起こすものは何ですか？ （ETA：明らかな理由から、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についての説明は必要ありません。その影響はかなり明白です。）
通常表示される数値は、電力消費の割合は（大きいものの）パーセンテージのみが最終的に熱になることを示しています。しかし、残りの部分で正確に何が起こりますか？ CPUは（もはや）機械的に部品を動かしたり、光を放射したり、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、入って来るすべてのエネルギーがどこかに出て行かなければならないことを指示し、CPUのようなものでは、真剣にできませんその出力が熱以外のものであると想像する。
私たちが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、質問に正確に答える助けにはならなかったことは確かです。
電子は押し流されており、作業が必要です。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PNPジャンクションに電子をプッシュする場合は、エネルギーが必要です。電子は移動したくないし、接近して移動したくない。あなたは彼らの相互の反発を克服しなければなりません。
最も単純なCPUである単一の孤立したトランジスタを見てみましょう。
電子はぶつかるとエネルギーを失い、熱を発生します。そして引力と反発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 ランダウアーの原理 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保持自由度の対応するエントロピー増加が伴う必要があります。」
これは（引用）を意味します：
具体的には、失われた情報の各ビットにより、kT ln 2の熱が放出されます。ここで、kはボルツマン定数で、Tは回路の絶対温度です。
まだ引用：
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した場合（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になります。少なくとも補償量によって、可能な物理状態の総数が元の数より少なくならなかった（合計エントロピーは減少していません）。
したがって、 熱力学の第2法則 （およびランダウアー）の結果として、一部のタイプの計算は生成せずに実行できません最小限の熱量であり、この熱量は内部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：
通常表示される数値は、電力消費の割合は（大きいものではあるものの）わずかしか熱になっていないことを示しています。しかし、残りの部分で正確に何が起こりますか？
実際、ほとんどすべてが熱になってしまいます。 エネルギーの保存 の法則により、すべてのエネルギー（電力に時間を掛けたもの）はどこかに行き着く。コンピュータ内のほとんどすべてのプロセスは、直接または間接的にエネルギーを熱に変えます。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）に変換しますが、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が熱に変換されます。
同じことは、放射（モニターからの光、すべての電気部品からのEM放射）やコンピューターが生成する音（ノイズ、スピーカーからの音）などにも当てはまります。これらも吸収されて熱に変換されます。
熱になってしまう「パーセンテージ」を読んだ場合、それは電源だけを指している可能性があります。実際、電源は入力の大部分を熱にではなく電力に変換する必要があります（ただし、熱も生成します）。このエネルギーは、コンピューターの他の部分によって熱に変換されます:-)。
その多くは、ハードドライブとファンの移動、およびモニターのライトアップにも使用されます。
ネットワーク経由でデータを送信することもあります。大きなラジオ局がこれに必要な電力を考えてください。イーサネット回線やwifiアンテナを介してはるかに小規模であっても、コンピューターはネットワークデータを使用して同じことを行います。
さらに、CPUと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沿って移動するにはエネルギーが必要です。電子は質量が少ないかもしれませんが、何十億もの質量を移動させており、1秒あたり数十億回の質量を持っています。
私はCPUデザイナーです。考えられる最も簡単な説明をさせてください。
「すべての電気エネルギーは熱に変換されます。」
あなたは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放散します。」
CPU（またはその他の半導体回路）では、電気的計算には次の2つが必要です。
- ある場所から別の場所に情報を送信する方法（ワイヤーと考える）
- 情報に基づいて行動する方法（トランジスタと考えてください）
現実世界のワイヤーは抵抗がゼロでないため、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、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。
あなたは今質問するかもしれません：それで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、計算しません。他の方法が真である理由（計算が熱エネルギーを消費する）。
これは、電子が特定のパスなしでバーナー内をランダムに流れるため（計算には役立ちません）、CPU内では電子がHW /回路設計によって決定される正確に定義されたパス（計算に役立ちます）を流れるためです。いずれにせよ、電子は動き回り、放熱を引き起こします。つまり、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。電子の経路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にはなりません。
架空の質問を続けましょう。 CPUとは非常に異なるものを選び、それらがどのように対比するかを確認できますか？道路上の駐車中の車を想像してみましょう。私が車を前方に押すと、私が行った仕事（私が供給したエネルギー）は、a）車の新しい運動量とb）タイヤ/道路の摩擦による熱に変換されます。ちょっと待ってください、車の勢い。私が見ることができる物理的な何かは、私がそれにエネルギーを費やしたために起こっただけです（マイナスの熱/摩擦）。摩擦による熱は（CPUの熱と同じように）失われますが、生成された運動量は役に立ちます（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します）。 CPUの有用性は、いくつかの情報（ビットの特定の配置）を操作し、一連の新しい情報（入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。車の有用性は現実の世界にあります。情報はCPUに関するものであり、現実の世界は自動車に関するものです。どちらも私たちに役立つことをすると熱を放射しますが、車はもう1つのことをします。物理世界では、CPUは熱を発生させる以外に何をしますか？何もない。 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。
ちょっと待ってください、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？代わりに私の電気バーナーがCPUであり、私が夕食を調理するためにその上に調理パンを置いた場合はどうでしょう。賭けます！あなたは二つのことを得る：同じエネルギーコストで食品と情報の計算！非常に高価なバーナーですが！
また、メモリビットのオン/オフの切り替えに使用されるエネルギーがあり、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い続ける必要があります。数字は見つかりませんでしたが、興味はありましたので見つけたら追加します。
私の理解では、CPUによるエネルギー使用の大部分は熱として出力されます。物理システムを動作させるには、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、一部のエネルギーはその時間の間、効果的に保存されます）。
注意：私の実践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歳前後で止まりました。
計算は熱です。もちろん、すべての熱が計算であるわけではありません。したがって、唯一の論理的な答えは、熱でどれだけ失われるのですか？答えはそれだけです。
計算は熱で構成されます。データの形で。私たちが廃熱であると考えるのは、まとまりのないデータであり、計算には使用されません。
初心者の回答者は、ほとんどすべてのものが熱くなるということを示しました。それはほぼ正しいです。実際、すべての電力入力は最終的には熱になります。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）に変換しますが、移動空気は周囲の空気との摩擦により停止し、運動エネルギーを熱に変換します。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置いた場合、最終結果は部屋に250ワットのヒーターを置いた場合と同じです。
上記のコメントに対応したいと思います。「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（デバイス）です。電気はどこに行きますか？デバイスで止まらず、一部は何にでも使用されます。それはデバイスが行うことですが、残りはワイヤーを通ってバッテリーに戻ります（したがって、閉回路）。」
私たちが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。それは回路を通って流れ（作業は別名熱を放散します）、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ています。
しかし、元のポスターは熱、つまりエネルギー散逸に言及していました。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力を熱に変換します。我々はすべてそれを知っている;これが、CPUにこのようなクレイジーな冷却装置が取り付けられている理由です。
ただし、電子機器の最も基本的な原理を見逃しています。
あなたの議論は、電気がライトやモーターに入るときのように聞こえるようにします、それはすべてが光または運動エネルギーに変換されますが、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（デバイス）です。電気はどこに行くの？デバイスで止まることはありません。一部はそれがデバイスが行うことを何でもするために使用されますが、残りはワイヤーを通ってバッテリーに戻ります（したがって閉回路） 。
コンピュータも同じです。電荷キャリアは、電源から入ってPSUに入り、次に作業を行うCPUに向かい、その過程で熱を発生させ、その後残りが出てPSUに戻り、電源に戻ります。
Ian Boydは transistor を指すことから良いスタートを切りましたが、電気を正確に使用するための具体的な説明（デバイスの「ペイオフ」、具体的にはアナロジーとして）をフォローしませんでしたファンの動きやLEDのライトに）。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機能するかについて少し研究することができますが、電気はトランジスタの一部の原子配列を物理的に変更して電子の流れを許可または遮断するために使用されると言えば十分です。その「アクション」は、動きや光ほど明確ではなく、明白でもありませんが、エネルギーは依然として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、原子を押すと、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、動作中のCPUゲートのSEM写真をいくつか見ました。見つかれば追加します。