CPUの消費電力

質問

CPUって簡単に言えば論理回路の塊だって聞きました。
論理回路というと銅線とスイッチで回路を作った記憶がありますが、ただの回路で電気を消費するようなものでは無いと思います。
ざっと検索すると抵抗による発熱やリーク電流がって出てきますが、もし抵抗などを無視できる理想的な材料でCPUを作ったとすれば消費電力を0にできますか？

回答No.3

kanemoto_s · ベストアンサー

エントロピー増大の法則や、マクスウェルの悪魔の議論というものがあります。
情報の維持はエントロピー増大の法則に逆らいますから電力等のエネルギーがいくらか必要です。
マクスウェルの悪魔の議論では情報を一旦忘れるためにエントロピーの増大が必要といっているので、必ず電力等のエネルギーが必要です。

10年以上前から電子スピンによる論理回路が電力消費を抑えた新製品として登場することになるとか言ってますが、なかなか実現しませんね。

お礼

回答ありがとうございました。

回答No.9

hahaha8635

超電導CPU

2005年
にゅhttps://pc11.5ch.net/test/read.cgi/pcnews/1125661137/
2017年
にょhttps://pc.watch.impress.co.jp/docs/news/1085388.html

低くはなるが維持費はorzになる

回答No.8

cwdecoder

誘導性であっても容量性であってもリアクタンスはエネルギーを消費しない擬似的な抵抗ですから、回路のあらゆる部分の抵抗がゼロに近ければ、理論的には発熱は限りなくゼロになるはずです。

回答No.7

kimamaoyaji

抵抗による発熱やリーク電流がって出てきますが、もし抵抗などを無視できる理想的な材料でCPUを作ったとすれば消費電力を0にできますか？
現行のCPUの消費電力は実は「容量性リアクタンス」という交流抵抗です。
例えば1GHｚ動作を基準の１Wとすると2GHｚで2W、3GHｚで4W、4GHｚで8Wという２の階乗で消費電力は増加します。
そえはCPUが構成されるトランジスタがCHMOS(容量結合素子）であり、また配線の間隔を狭めると容量が増加する、8080CPUの頃の1μmで動作クロック１MHｚの時代ならまだしも現在の0.014μm＝14nmで動作クロック４GHｚではその「容量性リアクタンス」という抵抗が消費電力のほとんどなので、レジスタンス（直流抵抗）をゼロにした所でそれほど大きな効果は望めません

　窒素冷却すれば超電導状態になるのでレジスタンスは0になるが、オーバークロッカーがCPUを窒素冷却してCPU速度の上限を越えようとしているが、消費電力は殆ど減らないと言う事実からあなたの言う抵抗を無視できる環境でも消費電力が殆ど減らないことは実証されています！！

実は2005年ころから消費電力を抑えるためにCPUクロックを多段可変型に変えてきています、最低クロック800MHｚで数段回可変で定格の4GHｚで更に高性能にするためターボブースト１、その上を行くターボブースト２と言う短時間だけ性能を上げるシステムにすることで、ピーク性能の向上と負荷が軽い時は電力消費を抑えるため低いクロックにする（２の階乗で減りますから）ことで、高性能と低消費電力を両立させています。
少しでも良い素材でCPUを作れば確かに消費電力は下がります、現在のシリコンからダイヤモンドに変えれば消費電力は劇的に下がります（熱伝導率も１桁違うので温度を下げることが容易なので：理屈上ですが）しかしながら材料費は１００倍以上になるでしょう、つまり現在のCore i9 9900K　８万円が　８００万円という価格になります　セレロンの１万円が１００万円になるとして、誰が使うのでしょうか？そして量産できない状態　試作だとその１００倍くらいの価格になります、つまりセレロン１個が１億円（仮にですが実際に作るとしたら工場から全て作る訳ですから１兆円以上かかるのでは？想像できないので）

回答No.6

bardfish

銅線の塊…たしかにそうですが総延長距離はものすごいことになりますよ。

例えば発電所で作られた電気家に届けるまでの送電線。両腕を広げた程度の長さなら電気抵抗はほぼゼロですが、それが数ｋｍの長さになると無視できないものとなります。高電圧だと些細な抵抗値でも発熱します。そため送電線では高圧線ほど太くして抵抗値を減らして送電効率を稼いでいます。
CPUなどの超LSIでは限られた面積に回路を詰め込む必要があるために導線の断面積は電子顕微鏡レベルです。そんな細い線に高電圧をかけると自己発熱で溶解してしまうので電圧を低くする必要があります。
ぶっちゃけたことを言えばオームの法則ですよね。

極端なことを言えば電気は電子の移動の結果。電子が移動するときには必ずエネルギーが必要となります。そのエネルギーは必ずロスが発生します。
ですから消費電力ゼロというのは理想ではありますが現状では「夢」となります。
常温超電導がなかなか実現できないのもそういう理由があるからなのかもしれません。
※専門家ではないけどそのくらいの想像はできる。

https://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q1152590516
こちらにCPU回路を一直線にしたらどのくらいの長さになるの？という質問があります。2010年の投稿です。
最新CPUでは平面に回路を構築するだけでなく、重ね合わせて回路を構築する技術もあるらしいのでもっと長くなっているはず。
微細化が進むと導線の太さが原子粒子数個分に至るとも言われています。
そこまでになると色々と困難な問題に直面するために新しいアプローチとしての「量子コンピューター」というものがいずれ必須になるのではないでしょうか。

回答No.5

noname#252332

論理回路を同線とスイッチで作ったと言われますが、スイッチで操作した値を取り出すにはリレーが必要だったでしょう。実際、どんな最新のコンピュータも、リレーを組み合わせて同じ回路を作ることができます。
https://www.fa.omron.co.jp/products/family/952/specification.html
　このリレーの消費電流は0.5Wってところです。インテルが2010年に発表したCPUのトランジスタ数は3億8千万個だそうですから、これをリレーで作ると19万kW。川内原子力発電所1号機2号機をフル運転して9個のCPUを動作させることができます。もっとも動作速度はインテル製の2GHzに対してリレー製では10Hzも難しいので、速度は2億分の1しか出ませんが。
https://www.fujitsu.com/jp/about/plus/museum/ikeda/exhibition/facom128b/
　実際に最初のコンピュータはリレー式だったので膨大な電力が必要でした。

　リレーのあとでは、(真空管式は飛ばして)トランジスタ、N-MOSという半導体でCPUを作りました。これは電流は流れますが小さくすることによって消費電流を下げました。私が買ってもらったPC-8001とかファミコンとかの8bit CPUは、トランジスタ数2千個足らず、消費電流は1Wほどだったのでトランジスタ1個当たり0.0005Wまで節電されています。上記のリレーで作った場合に比べると千分の1になりました。

　そののちに出てきた半導体がC-MOSです。C-MOSはONとOFFはするけれど電流は流れないという、節電にもってこいの半導体です。電流を流さず電圧の変化だけで値を表します。腕時計や電卓の電池が長持ちするようになったのはC-MOSのおかげです。これを3億８千万個配線したのが現在のCPUというわけです。だから、今のCPUに電圧をかけるだけなら、日本人の人口の3倍のトランジスタはほとんど電力を消費しません。問題はクロックです。周波数2GHzなどと簡単に言いますが1秒間に20億回電圧が上がったり下がったりしています。CPUの中に0Vの場所と3.3Vの場所があるいじょう、その間には静電容量というものがあるでしょう。C-MOSの静電容量を充電する電流などゼロに等しいわずかなものですが、なにしろ毎秒20億回電圧を上げたり下げたりするために、電流が捨てられています。インテルのCPUは30Wほどですから、動作中はトランジスタ1個あたり0.0000008Wほどになります。冒頭のリレーの6百万分の一です。C-MOSですからクロックを遅くするとそれに反比例して消費電流が減ると思いますよ。

　つまり静電容量が小さいC-MOSを発明することがもっとも手近に消費電流を減らすことになります。

回答No.4

nagata2017

電気を使わない手動のコンピューターならできます。
コンピューターの元の名前は電子計算機　計算をする機械なら手動のがあります
金地金を販売する店などで　近い過去まで使われていました。
抵抗をゼロにすると一度流した電流は回路の中を回り続けることになります。

回答No.2

qwe2010

論理回路は、電気を流さないと、動かない仕組みです。
つまり、必ず、電気を消費します。
消費電力０では、CPUは動きません。

燃料のないエンジンは、動きません。
動物は、食べ物から、エネルギーを得て動き。
植物は、光からエネルギーを得て、活動します。

回答No.1

t_ohta

エネルギー保存の法則から言えば、電力消費が無いと言う事は何も仕事をしていないと言う事なので、何の結果も得られないと言う事になります。
無駄な電気抵抗が無く、リーク電流も無く、無駄な発熱を伴わない理想の素材が出来上がれば消費電力を大幅に抑える事は可能ですが、計算のための仕事量分だけの電力消費は発生します。