¿A dónde va toda la energía consumida por una CPU?

¿A dónde va todo el consumo de energía de una CPU? ¿Toda la energía consumida por la CPU de la PC se transforma en calor? ¿O se transforma en parte en calor y en parte en otro tipo de energía?

En la CPU todo es calor. Es el cambio de 0 a 1 y viceversa (que en última instancia es lo que hace una computadora) lo que consume la energía, porque la carga tiene que moverse de un lugar a otro, y es esta corriente (carga en movimiento) a través de la resistencia la que causa calor. $P = I^2 \times R$

Idealmente, una computadora que no realiza ninguna tarea no consume energía, pero siempre hay pequeñas fugas de carga y en un procesador de mil millones de transistores como un Pentium esa combinación de pequeñas fugas aún causa muchas pérdidas de energía.

La energía eléctrica enviada a casi (*) cualquier CPU basada en CMOS a través de sus pines VCC y GND va a 3 lugares:

• La energía eléctrica sale de la CPU a través de sus pines de salida para controlar los requisitos de "energía real" de los dispositivos externos. Los LED, resistencias de balasto LED, líneas de transmisión, resistencias de polarización de línea de transmisión, resistencias de terminación de línea de transmisión, etc. son ejemplos. Esos dispositivos externos nunca son 100% eficientes, por lo que parte o la mayor parte de esa energía se convierte en calor, lo que hace que esos dispositivos externos sean más cálidos. (Una gran cantidad de corriente fluye a través de los transistores en el anillo de almohadilla de E / S, pero el voltaje relativamente pequeño a través de esos transistores). Esta es a menudo la mayor fracción de energía en las CPU de baja potencia que controlan muchos LED.

• La energía eléctrica se convierte en calor en los transistores en el anillo de almohadilla de E / S que conduce (carga y descarga) capacitancia externa. La capacitancia parásita de las trazas de PCB, la capacitancia de puerta pequeña de los pines de entrada de RAM y otros chips CMOS, la capacitancia de compuerta grande de grandes FET discretos, etc., son ejemplos de tal capacitancia externa. Durante cada ciclo de carga / descarga, toda la energía que se almacenó temporalmente en esa capacitancia se disipa como calor en el canal de los transistores de almohadilla de E / S de la CPU. (Los detalles instantáneos de dónde va la energía durante ese ciclo son más complicados).

• (Del mismo modo, los pines de entrada de la CPU generalmente son accionados por transistores en el anillo de almohadilla de E / S de algún chip externo. Durante cada ciclo de carga / descarga, toda la energía que se almacenó temporalmente en la capacitancia dentro de la CPU se disipa como calor en el canal de los transistores de almohadilla de E / S de ese chip externo. En otras palabras, no entra o sale energía neta a través de los pines de entrada de la CPU).

• La energía eléctrica se convierte en calor en los transistores de núcleo interno que impulsan (carga y descarga) la capacitancia de la puerta de otros transistores internos. Nuevamente, durante cada ciclo de carga / descarga, toda la energía que se almacenó temporalmente en esa capacitancia se disipa como calor en el canal de los transistores de núcleo interno. Esta es la mayor fracción de energía en las CPU de escritorio de alta potencia.

(*) Algunos investigadores han construido dispositivos lógicos de reciclaje de energía (incluidas las CPU Tick, FlatTop y Pendulum) que, en lugar de disipar en forma de calor toda la energía almacenada temporalmente en la capacidad interna y externa, devuelve la mayor parte de esa energía al fuente de alimentación .