Насколько эффективен настольный компьютер?

Насколько я понимаю (и, по общему признанию, это слабое понимание), компьютер необратимо обрабатывает информацию (элементы И, например) и, следовательно, имеет некоторый минимальный прирост энтропии, связанный с его вычислениями. Истинное увеличение энтропии намного больше и происходит от преобразования электрической энергии в тепло.

Насколько эффективен обычный настольный компьютер с этой точки зрения? Сделайте любые предположения, которые вы сочтете полезными, относительно энергопотребления, вычислений в секунду, температуры в помещении и т. д.

Эффективный в каком смысле? Обычное определение ϵ знак равно п вне / п в на самом деле не имеет смысла для компьютера, поскольку выходная мощность монитора, динамиков и охлаждающих вентиляторов практически не зависит от реальной полезности компьютера с точки зрения обработки информации.
@Дэвид (минимум Δ С ) / (действительный Δ С )
@Mark: я не совсем уверен, но почему должен быть минимум Δ С ? Можно выполнить обратимое вычисление (по крайней мере, в принципе; на практике вы можете аппроксимировать его сколь угодно хорошо), поэтому хорошего определения минимальной энтропии не существует. Или у вас есть один?
100% эффективность обогрева помещения.
Минимальная теоретически достижимая энтропия для обработки одного бита информации будет равна к Т п ⁡ 2 .
@Marek Спасибо за ссылку на обратимые вычисления. Я не знал об этом. Я полагаю, что разумным ответом на исходный вопрос будет «ноль». Мы могли бы еще рассмотреть минимум Δ С может быть получен машиной, выполняющей те же самые логические операции, что и настольный компьютер. Таким образом, если мой компьютер выполняет И с двумя битами, другой компьютер должен будет выполнять И с максимально возможной эффективностью.
Должен ли компьютер просто думать про себя или ему действительно нужно реализовать какой-то интерфейс ввода-вывода? Большинство протоколов данных имеют характеристическую мощность, необходимую для управления линиями.

Ответы (4)

Предполагая типичный компьютер с вычислительной мощностью ЦП ~ 1 ГГц. Это означает, что он может генерировать выходную последовательность байтов в ~ 10 9 байт/с, что примерно ~ 10 − 13 J/K через энтропию фон Неймана. Кроме того, энергопотребление типичного процессора составляет ~100 Вт, что дает энтропию ~0,3 Дж/К при комнатной температуре.

Таким образом, (минимальное ΔS) / (фактическое ΔS) ~ 10 − 14

Этот расчет не совсем верен, потому что трудно определить, какова фактическая производительность компьютера. В большинстве случаев предыдущий вывод будет использоваться в качестве ввода позже. Вышеупомянутый расчет также сделал предположение, что весь вывод постоянно записывается на какое-то внешнее устройство.

Лучшая точка зрения состоит в том, что каждые вентили, имеющие два входа и один выход, такие как И, ИЛИ, НЕ-И, ..., должны отдавать один бит окружающей среде в виде тепла. Это минимальная энергия Вт требуется для обработки информации в классическом компьютере. В этом смысле мы можем определить эффективность как е знак равно Вт / Вопрос , куда Вопрос - фактическое тепловыделение в секунду.

Эффективность зависит от того, сколько таких логических вентилей будет использоваться, но я думаю, что это меньше тысячи на типичной тактовой частоте, поэтому е ≈ 10 − 11 .

Это означает, что наш компьютер имеет очень низкую эффективность в плане обработки информации, но, вероятно, хорош в качестве обогревателя. Это теоретическое минимальное энергопотребление также трудно проверить экспериментально из-за требуемой высокой точности.

@hwalu, не могли бы вы уточнить, как вы пришли к этим числам?
Одним из удобных чисел является отношение потребляемой электроэнергии к мощности, рассеиваемой различными известными способами (на ум приходят тепловые и электромагнитные). Рассеиваемая энергия, очевидно, является пустой тратой, устанавливая верхнюю границу фактического показателя эффективности.
Мне пришлось создать учетную запись только для того, чтобы проголосовать за комментарий «но, вероятно, хорош как обогреватель».

Немного информации из мира ASIC: Например, у вашего процессора 300 мил. транзисторы, и большинство из них работают. Но для того, чтобы сделать, например, чистую 32-битную операцию добавления, вам нужно всего около 1000 из них. Другие предназначены для кэширования и передачи данных туда и обратно — вспомогательные функции, оценить которые невозможно. Так что оценки с математической стороны сделать очень сложно.

Современный дизайн процесса уже ориентирован на потребление энергии на один коммутатор, и он оптимизируется. К сожалению, чем меньшая скорость вам нужна - тем эффективнее работает процессор. Например, чтобы получить 50% скорости, можно потратить всего около 10% мощности.

Так что они смертельно неэффективны (и есть еще возможности для улучшения в 100-10000 раз), но оценивать процессор в целом неправильно. Вы должны учитывать только минимальный используемый вычислительный блок, такой как сумматор, вы не можете предсказать, сколько переключателей у вас будет в логике поддержки, которая занимает 98% площади чипа.

Для всех практических целей сегодня приведенные выше ответы очень информативны.

Однако, как указал выше Марек, ваша фундаментальная теоретическая модель термодинамики вычислений, на которой вы основываете вопрос, неожиданно неверна, как мы впервые начали обнаруживать 50 лет назад ( см . ссылки на Ландауэра Чарли Беннета, Фридкин и др.). На самом деле все вычисления в принципе свободны от диссипации, за исключением диссипации, необходимой для перезаписи или забвения ранее сохраненных битов.

Классический пример таков. Предположим, вы хотите вычислить предпоследнюю двоичную цифру миллионного простого числа или что-то в этом роде. Затем вы делаете это медленно и обратимо, тщательно не перезаписывая ни один из сгенерированных вами промежуточных битов, что требует много места. Возможно, вы даже используете квантовую запутанность в компьютере. Затем вы записываете ответ, перезаписывая (безвозвратно забывая) один бит ответа в каком-то (скажем, внешнем) регистре. Затем вы можете обратить исходное вычисление, также без каких-либо потерь. Вам остается рассеять только энтропию, необходимую для перезаписи 1 бита записанного ответа, потому что это единственная информация, которую вы были вынуждены забыть.

Поскольку знаменатель приближается к нулю, теоретически теоретический ответ на ваш вопрос — бесконечность. Существует компромисс с пространством для хранения всех промежуточных результатов. Это сюрприз, на самом деле шок, но он показывает силу ясной мысли. Он тесно связан с квантовыми вычислениями, но имеет и полностью классические модели.

Таким образом, правильный теоретический способ задать ваш вопрос будет больше похож на то, что для конкретного вычисления, которое должно быть завершено за время t, работая с ограниченной памятью x бит, какова необходимая диссипация. Я не эксперт, но постараюсь получить больше ссылок. PS. Отдыхающий мозг, вероятно, потребляет около 20 Вт.

+1 Я думаю, что это хороший ответ (в последнее время я думал об этом), но есть одна вещь, которой, как мне кажется, часто пренебрегают, когда люди думают, что квантовые/обратимые вычисления не исчезнут. Это инициализация памяти: как вы указываете во втором абзаце, вообще нужно использовать много памяти, чтобы не забыть промежуточные биты. Но это само по себе является "забыванием" - вы забываете состояние, в котором находились биты до инициализации....
Я думаю, что Беннетт в «Термодинамике вычислений: обзор» говорит об этом в той мере, в какой тривиально сделать любое вычисление обратимым: нужно стремиться сделать его обратимым без неконтролируемого роста памяти по мере того, как вычисление разворачивается. Если подумать, то "инициализация" имеет некоторое сходство с охлаждением - этого не обойдешь даже в квантовых вычислениях на Земле - придется переносить компьютер в дальний космос, чтобы к Т журнал ⁡ 2 маленький!

Мне кажется, что это философский вопрос. Учитывая, что может сделать компьютер. Он может построить новый дом, но также будет иметь 99,9-процентную эффективность при обогреве этого дома. Остальное уходит на освещение. Однако некоторые компьютеры производят меньше тепла, чем другие, а это означает, что вы можете рассматривать освещение как выполненную полезную работу, а нагрев — как выполненную полезную работу, если вы живете в холодном доме с электрическим отоплением.

Насколько эффективен настольный компьютер?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v