Kann man sagen wie viel Watt bei einem Prozessor in die Rechenleistung gehen?
Eine CPU hat ja eine sehr hohe Verlustleistung die in wärme umgewandelt wird. Kann man sagen (X)X,XX gehen in Rechenlesitung über und (X)X,XX% in Wärme? Und wie viel jeweils?
5 Antworten
Ja, das kann man sagen. Ich muss vielleicht ein wenig ausholen. Was bedeutet überhaupt "Wärmeproduktion"? Thermodynamisch stellt dies einfach nur eine Erhöhung der Entropie dar.
Entropie nun ist ein Maß für die Zunahme an unbekannten Zuständen, d. h. du bräuchtest mehr Bits an Informationen, um diese zu beschreiben (siehe Shannons Informationstheorie in Bezug auf Entropie).
Wenn nun ein herkömmlicher Computer über seine logischen Bauteile Informationen verarbeitet (Bits an Informationen löscht oder solche zusammenführt), dann geschieht dies in der Regel nur in einer Richtung und daher irreversibel (2+2=>4. Aus 4 kannst du aber nicht mehr auf 2+2 schließen, da auch 3+1 zu 4 führt). Die Informationen vor der Verarbeitung gehen also verloren. Dies geht mit einer Erhöhung der Entropie einher und führt daher zu einer Mindesterhöhung der Entropie und damit einem Mindestmaß an produzierter Wärme.
Dies wurde bereits 1961 von Rolf Landauer formuliert.
https://de.wikipedia.org/wiki/Landauer-Prinzip
Umgehen kann man dies nur mit der Verwendung von reversiblen logischen Gattern. Da diese im thermodynamischen Gleichgewicht operieren lässt sich somit die oben erwähnte Mindestgrenze unterschreiten.
Wie hoch dieser Wärmeverlust bei modernen Prozessoren ist könnte man daher theoretisch berechnen.
100 % werden in Wärme umgewandelt, die Rechenleistung ist ein Nebenprodukt, dass aber keine Energie oder Arbeit im physikalischen Sinne darstellt.
die frage wäre, was genau "Rechenleistung" ist, nach meiner Definition z.B. wird die Rechenleistung in Form von Wärme abgegeben; oder meinst du, wieviel Energie die Transistoren benötigen, um zu schalten?
du meinst also, wieviel Strom in Wärme umgewandelt wird, indem er durch die Transistoren fließt und wieviel, indem er durch die Leiterbahnen des Prozessors fließt? ich habe keine Ahnung :-)
Äh... ja, auf dem Schlauch gestanden. Ja. wie viel Leistung in das Schalten der Transistoren geht.
Ja kann man sagen:
0% gehen in Rechenleistung, 100% in Wärme.
so gesehen ist ein Computer nur eine elektrische Heizung die als Nebenprodukt Aufgaben lösen kann ^^
... in gewisser Weise die uneffektivste Maschine überhaupt... ;-)
Selbst eine altmodische Glühbirne erzeugt wenigstens etwas Licht neben viel Wärme...
Man könnte auch sagen:
Rechner produzieren nur heiße Luft - Nebenbei fallen ggf. auch ein paar brauchbare Ergebnisse heraus - damit sind sie aber schon mal ein ganzes Stück weiter als vergleichbare Heißluftgebläse der Politelite.
'Tschuldigung, konnte einfach nicht widerstehen...
Die Wärme der Glühbirne sagt uns (zumeist) weniger als die Wärme der CPU... Letztere beschäftigt (oft) unser Hirn, was dann auch noch Wärme erzeugt! ;-)
rechenleistung ist keine energetische leistung, also tatsächlich nicht.
es gibt keine energie die benötigt wird um eine logische verknüpfung 1 mal zu schalten, zumindest ist das nicht die rechenenergie.
die energie die benötigt wird um die gatekapazitäten der mosfets zu laden ist in etwa die die als wärme abegeben wird. daa liegt daran das vor dem gate immer ein (möglichst kleiner) widerstand ist der sich durch den strom aufwärmt
Ich kenne mich mit Elektronik wenig aus, aber ich vermute einen Transistor zu schalten ist ja eine gewisse Leistung, die nicht in wärme umgewandelt wird, oder bin ich da falsch?
es gibt grundlegend 2 arten von transistoren, den bipolar und den feldeffekt.
in der cpu sind feldeffekttransistoren, genauer mosfets verbaut. diese haben eine kapazität (wie ein kondensator, oder einfacher ein pullover der statisch geladen wird).
lädt man diese kapazität mit einer spannung auf, bildet sich eine leitende verbindung im transistor und er schaltet.
jetzt kommt das interessante, kondensatoren brauchen keine leistung. du gibts eine bestimmte energie rein, diese wird gespeichert. da der strom über eine unglaublich dünne leitung fließt, entsteht dabei wärme. willst du die verbindung später wieder trennen, musst du die kapazität entladen, das heiß kurzschließen. dabei entsteht wieder wärme.
die leistung entsteht also nur in den leitungen, nicht in der kapazität des transistors.
Also kann man sagen, die Leistung wird zu 100% in Wärme umgewandelt?
Da irrst du dich allerdings. Bei der logischen Operation 1+0=>1 hast du 2 bekannte Bits an Informationen und erhälst am Ende nur noch 1 Bit. Du verlierst also 1 Bit an Information, was zu einer Erhöhung der Entropie und damit zu einer Wärmeproduktion führt.
kannst du mir eine quelle dazu empfehlen? ich hab schonmal irgendwo beiläufig von landauer-prinzip gelesen, ich kann mir aber nicht wirklich vorstellen was da passiert, den wikipediaartikel versteh ich leider nicht wirklicn. das klingt sehr interessant!
Mehr als den Wikipedia-Artikel kenne ich leider auch nicht dazu. Ansonst gibt es noch eine gute Zusammenfassung der Shannon'schen Informationstheorie der Entropie.
https://de.wikipedia.org/wiki/Landauer-Prinzip
Es gibt aber noch weitere sehr interessante Artikel. So hat man früher z. B. vermutet, dass in einem Universum, in dem die Entropie abnimmt, keine Informationsverarbeitung und damit keine Computer mehr funktionieren würden. Man hat nun allerdings nachgewiesen, dass man selbst in so einem Universum Informationsverarbeitung betreiben könnten und der Computer dabei sogar Wärme absorbiert (ich finde das Paper leider gerade nicht mehr).
Sollte in unserem Universum die Entropie also überraschenderweise doch ein Maximum erreichen und sich dann wieder umkehren, muss dies nicht das Ende von Leben bedeuten.
Ich kenne mich da nicht gut aus, aber alles hat ja eine Effizienz, bei einem Elektro-Motor geht ja ein Großteil der Leistung in mechanische Leistung über und nur wenig in Wärme. Sagen wir, wie groß die Leistung ist, die in das Schalten der Transistoren geht, um z.B. ein Bild in CineBench zu rendern?