电脑的功耗在哪里？

今天，我们在午餐时间进行了一次怪异的讨论：到底是什么导致计算机（特别是CPU）的功耗？（预计到达时间： 出于明显的原因，我不需要解释为什么硬盘，显示器或风扇会消耗功率-效果很明显。）

通常可以看到的数字表明，只有一小部分（尽管很大）的功耗最终会发热。但是，其余的究竟发生了什么？CPU不再是（机械地）机械移动零件，发光或使用其他方式转换能量的设备。节约能源表明，所有进入的能量都必须散去某个地方，对于像CPU这样的东西，我真的无法想象输出只是热量。

我们是计算机科学而不是电气工程专业的学生，​​当然对准确回答问题没有帮助。

电子被推来推去，这需要工作。电子在移动时会遇到“摩擦”，需要更多的能量。

如果您想将电子推入PNP结以打开它，则需要能量。电子不想移动，也不想靠近在一起。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：

电子碰撞时会失去能量，从而产生热量。克服吸引和排斥的电场需要能量。

在Wikipedia上有一篇有趣的文章，介绍了Landauer的原理，并指出（引用）：

“任何逻辑上不可逆的信息操纵，例如擦除位或两个计算路径的合并，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）：

具体而言，丢失的信息的每一位都会导致释放出热量kT ln 2，其中k是玻尔兹曼常数，T是电路的绝对温度。

仍在引用：

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），则这将构成熵的禁止减少，除非与每个逻辑状态相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，以使可能的物理状态总数不小于原始状态（总熵未减小）。

因此，由于热力学第二定律（和Landauer）的影响，某些类型的计算不能在不产生最小热量的情况下进行，并且这种热量不是CPU内部电阻的结果。

干杯!

要添加其他出色的答案：

通常可以看到的数字表明，只有一小部分（尽管很大）的功耗最终会发热。但是，其余的究竟发生了什么？

实际上，几乎所有东西都最终发热。根据能量守恒定律，所有能量（功率乘以时间）必须在某个地方终止。计算机内部几乎所有进程最终都会直接或间接地将能量转化为热量。例如，风扇会将能量转换为运动的空气（=动能），但是运动的空气将通过与周围空气的摩擦而停止运动，从而将其动能转化为热能。

计算机产生的辐射（显示器发出的光，所有电子部件发出的EM辐射）和声音（噪音，扬声器发出的声音）等问题也是如此：它们也将被吸收并转化为热量。

如果您读到最终以热为单位的“百分比”，则可能仅指电源。实际上，电源应将很大一部分输入变成电能，而不是热量（尽管它也会产生热量）。然后，该能量将被计算机的其余部分转化为热量：-)。

其中很多还用于移动硬盘和风扇，以及点亮显示器。

其中一些用于通过网络传输数据。考虑一下大型广播电台需要多少功率。即使使用以太网线或wifi天线以较小的规模，计算机也可以处理网络数据。

而且，CPU和主板内的路径与网络传输的工作方式几乎相同。将电子沿这些路径移动需要能量。电子可能没有太大的质量，但是您正在移动数十亿个电子，并且每秒进行数十亿次。

在打开和关闭内存位时也需要消耗能量，此外，即使没有其他处理，CPU内存也必须继续使用电源来维持当前内存。我找不到数字，但您现在对我很感兴趣，因此，如果我找到了，我会添加它。

我是CPU设计师。让我提供我能想到的最简单的解释。

“所有电能都转化为热量。”

您可能会问；如果所有电能都转化为热量，谁来提供计算能量？

“所有电子计算都会耗散热能。”

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式（想一想）
• 一种对信息采取行动的方式（认为晶体管）

现实世界中的电线消耗热能，因为它们的电阻为非零。晶体管还消耗热能，因为电子（和空穴）相互碰撞并且原子引起热量。

您现在可能会问：这样，我的电燃烧器会将所有电能消耗为热量，但不会进行计算。为什么其他方法是正确的（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（对计算无用），而在CPU中，电子在硬件/电路设计所规定的精确定义的路径（对计算有用）中流动。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，前者没有电子流动的特定电气路径，而后者则没有。仅仅因为电子路径的方式不同，这并不是后者消耗较少热能的原因。

让我们继续假设的质疑。我们能否选择与CPU截然不同的东西，看看它们之间有何不同？假设有一辆停在道路上的汽车。如果我将汽车向前推动，则我完成的工作（我提供的能量）将转换为两件事：a）汽车的新动量和b）轮胎/道路摩擦产生的热量。等一下，你说的是汽车的动力。我看到的某种物理上发生的事情，仅仅是因为我朝着它消耗了能量（减去热量/摩擦）。摩擦产生的热量会损失（就像CPU热量一样），但产生的动量仍然有用（例如在再生破坏期间为汽车中的电池充电）。CPU的作用是对某些信息（某些位的排列）进行操作，并生成一组新的信息（输入和输出二进制位）。信息是抽象的；不是物理的。汽车的用处在于物理世界。信息用于CPU，而物理世界用于汽车。当它们为我们做一些有用的事情时，它们都会散发热量，而汽车又做一件事：它们实际上使我们四处移动。在物理世界中，CPU除了产生热量外还能做什么？没有。这是观察CPU如何将所有电能转化为热量的另一种方式。

请稍等，这实际上意味着：我可以将CPU用作刻录机吗？如果我的电炉不是CPU，而是在上面放了一个电饭锅做饭，该怎么办？你打赌！您会得到两件事：能源成本相同的食品和信息计算！虽然只是非常昂贵的燃烧器！

我的理解是，CPU消耗的绝大部分能量都以热量的形式输出。为了完成工作，物理系统会转换或移动能量-CPU的工作原理是将电能转换为热量，并在此过程中多次更改其内部状态（因此，某些能量会以这种方式有效存储）。

注意：十年前，我的实用电子和物理培训在20岁左右就停止了，除非您算读《新科学家》，所以一位过世的物理学家可能会告诉我我完全错了！

一位耳il目染的受访者表示，几乎所有东西都变热了。那几乎是正确的。实际上，所有功率输入最终都会最终变成热量。风扇是一个很好的例子。风扇会将能量转换为运动的空气（=动能），但是运动的空气将因与周围空气的摩擦而停止运动，从而将其动能转化为热能。相同的概念也适用于监视器等发出的光。如果将消耗250瓦功率的计算机系统放入密闭房间，则最终结果与在房间中放置250瓦加热器相同。

计算就是热量。当然，并非所有热量都是计算量。因此，唯一合理的答案是：热量损失了多少？答案是全部。

计算是有组织的热量。以数据的形式。我们认为是废热，只是杂乱无章的数据，没有用于计算。

我想对上面的评论做出回应：“考虑一个简单的电路：连接到电池的设备（任何设备）。电流流向何方？它不会在设备上停下来；其中一部分用于做任何事情是设备所做的，但其余部分继续通过电线，回到电池（因此闭路）。”

如果我们谈论电流，则此评论正确无误。它流经电路（也称为散热工作），然后返回电池（或电源）。这里的电流实际上是指电子的流动。

但是，最初的海报是指热量即热量消散。热量/能量耗散不会回到电池。能量从电池中消耗掉，并完全通过CPU中的热量消散。电流是另一回事。

是的，CPU将吸收的大量电能转化为热量。我们都知道; 这就是为什么我们现在将如此疯狂的冷却设备连接到CPU的原因。

但是，您缺少电子学的最基本原理。

您的辩论听起来像是当电进入灯或电动机时，所有这些都转换为光或动能，而事实并非如此。考虑一个简单的电路：连接到电池的设备（任何设备）。电力去哪儿了？它不会停止在设备上；其中一些用于完成设备的所有操作，但其余部分则继续通过电线，回到电池（因此闭路）。

电脑也不例外。电荷载流子通过电源进入，进入PSU，然后进入CPU进行工作，在此过程中产生热量，然后其余部分出来，回到PSU，再回到电源。

伊恩·博伊德（Ian Boyd）首先指出了一个晶体管，但并没有对其进行确切的解释（设备的“收益”，特别是作为风扇或风扇运动的类比）的具体解释。 LED的光）。您可以对晶体管的工作方式进行一些研究以真正理解它，但是可以说，电力实际上是用来物理改变晶体管一部分的原子排列，以允许或阻止电子流动。尽管其“动作”不像运动或光那样清晰或明显，但能量仍被用来做某事（正如伊恩所说，当您推动原子运动时会产生大量的热量）。我看过一些CPU门动作的SEM照片，这些照片确实有助于可视化。如果可以找到一个，我将其添加。