Uso del calor de la CPU para generar electricidad

He estado leyendo Organización informática estructurada de Tanenbaum y dice que uno de los principales cuellos de botella para aumentar la velocidad del reloj de la CPU es el calor. Entonces comencé a pensar: ¿es posible quitar el disipador de calor por completo y usar ese calor para generar más electricidad? He estado buscando en esto y encontré estos materiales termoeléctricos y este generador termoeléctrico :

Concepto de generador termoeléctrico encontrado en Wikipedia

Leí en ese artículo de Wikipedia que "las aleaciones de silicio y germanio son actualmente los mejores materiales termoeléctricos alrededor de 1000 °C (...)" , y sé que la CPU normalmente funciona alrededor de 30 ~ 40 °C. Entonces, llegar a 1000 °C requeriría más CPU.

Así que pensé: ¿Qué hay de poner muchas CPU en paralelo sin sus disipadores térmicos para acumular más calor? También podemos overclockear mucho estas CPU y ver cuánto calor pueden generar.

Pero estoy atascado. No sé qué pensar a continuación. Ni siquiera sé si es una buena línea de pensamiento.

Mi pregunta es: ¿por qué no desarrollar algún tipo de disipador de calor que genere electricidad a partir del calor de la CPU? Sé que alguien ya debe haber pensado en eso y pensó en una razón por la que no hacerlo, pero no puedo resolverlo.

Entonces, ¿por qué no es posible?

EDITAR para aclarar: no quiero que las CPU funcionen a 1000 °C. Enumeraré mis pasos de razonamiento (no necesariamente correctos), que fueron aproximadamente:

  1. La velocidad del reloj de la CPU está limitada por la temperatura de trabajo (T).
  2. Las CPU generan calor. El calor hace que T suba.
  3. Los disipadores se encargan de ese calor para mantener T=40°C.
  4. Reemplace el disipador de calor con un generador termoeléctrico (construido con SiGe o material similar)
  5. Coloque muchas CPU una al lado de la otra para aumentar la generación de calor.
  6. El calor sale de las CPU a TEG, por lo que las CPU se mantienen a T=40 °C.
  7. es posible?
  8. ¿Cómo construir tal TEG? ¿Qué material usar?
  9. ¿Por qué tal dispositivo no existe ya?
  10. Hice esta pregunta.

EDIT2: Veo que mi idea es fundamentalmente incorrecta y mala. Gracias por todas las respuestas y comentarios. Lo siento por cualquier malentendido.

¿Cómo propone que sus CPU funcionen a 1000°C?
@PlasmaHH Pensé en un montón de CPU overclockeadas en paralelo. Pero el 1000C es la temperatura de funcionamiento óptima para el silicio-germanio. Creo que también funcionan a temperaturas más bajas, pero de manera menos eficiente.
Dos CPU a 50° cada una no es lo mismo que una CPU a 100°.
@EnzoFerber: ¿entonces quiere que solo generen calor y no funcionen como una CPU haciendo cálculos? ¿Por qué no usar simplemente elementos calefactores cerámicos resistivos en ese caso?
@PlasmaHH No, quiero que sigan siendo CPU normales. Solo quiero reutilizar el calor para algo útil...
Además, un obstáculo importante aquí es que las celdas termoeléctricas no pueden mover el calor tan rápido como un disipador de calor adecuado. Serían mucho menos efectivos para evitar que la CPU se derrita.
@Felthry Me imaginé eso. Pero no sé cómo se suman exactamente dos fuentes de calor.
ellos no Piénselo de esta manera: si el lado este de su habitación tiene 20 °C y el lado oeste tiene 20 °C, su habitación en general tiene 20 °C, no 40 °C ni nada por el estilo.
@EnzoFerber: Por otra parte, ¿cómo van a funcionar a 1000°C? Incluso si su protección térmica no se activa, esa es la temperatura de brillo amarillo, la mayoría de los materiales en una computadora se derretirán o incluso se evaporarán. Ninguna CPU conocida por la humanidad es capaz de operar a esas temperaturas. Entonces, ¿cómo será el tuyo?
@PlasmaHH Lo sé. Mi línea de pensamiento es: cientos de CPU alineadas calculando Y generando calor. Un solo dispositivo que reúna el calor de todas esas CPU las enfriaría Y generaría electricidad. Como dije, tengo curiosidad y divago en lo que pensé que era una idea interesante... No sé si es posible.
@EnzoFerber: ok, me rindo, sabes que la CPU será destruida por su brillo amarillo, pero al mismo tiempo quieres que brille en amarillo y funcione. Tal vez los muchachos de scifi y fantasy SE tengan algo de magia que funcione para ti.
Posible, a temperaturas normales, sí, práctico/económico NO, en este momento no.
@PlasmaHH No. Eso no es lo que quiero. No quiero que estén amarillos. Lo que quiero es un dispositivo capaz de mantenerlos frescos Y generar electricidad al mismo tiempo. No sifi. Sólo una pregunta.
@EnzoFerber: Entonces, ¿quieres que estén frescos pero que al mismo tiempo estén a 1000°C?
@PlasmaHH No, no, no. Veo la confusión. No quiero que estén a 1000C. Nunca. La temperatura de funcionamiento óptima del silicom-germanio es 1000C, pero ¿funciona a temperaturas más bajas? Mi idea es que hacer que una gran cantidad de CPU funcione a 50 ~ 80 C se sumaría (lo cual ya descubrí que no lo hará)
¿Qué tipos de CPU están hechos de SiGe? E incluso más allá de eso, ¿de dónde viene su cifra de "temperatura de funcionamiento óptima"? Eso suena horriblemente irrazonable.
Me di cuenta de que nadie respondió cuál creo que es la solución real, así que agrego mi opinión. Para producir energía no puedes usar calor; necesitas calor DIFERENCIAL. dado que la CPU necesita permanecer a una temperatura fija (más de 100°C se comportará mal), la única forma de extraer energía es enfriando el disipador. Pero la energía requerida para enfriar el disipador de calor es mayor que la que puedes extraer. Puede extraer energía X, pero solo proporcionándole energía Y > X. Así que... No hay generación de energía, lo siento...
@Shamtam La temperatura de trabajo óptima de 1000C para SiGe proviene del artículo Wiki que vinculé. No dije que las CPU estén hechas de él o que deberían estar hechas de él. Me preguntaba si se podría construir un dispositivo a partir de él o de materiales similares para convertir el calor en energía.
@frarugi87 ¡Gracias por el comentario! Me aclaró algunas cosas más.
@EnzoFerber Tenga en cuenta que la "temperatura de trabajo óptima" enumerada en ese artículo es para efectos termoeléctricos, no para efectos semiconductores. SiGe a esa temperatura no funcionaría como un semiconductor razonable (es decir, no podría hacer una CPU útil con él) a esa temperatura.
Probablemente sería más fácil usar una bombilla de filamento para alimentarse. Puede soportar altas temperaturas y produce mucho calor. Ahora solo necesita hacer una máquina de movimiento perpetuo, pero eso no debería ser un problema. Si eso es demasiado complejo, podría hacer una linterna que tenga una celda solar para alimentarse. Coche con ruedas más grandes en la parte trasera para que siempre ruede cuesta abajo... ¡Tantas posibilidades!
Su capacidad para generar energía a partir de una fuente de calor depende absolutamente de encontrar una gran cantidad de temperatura más fría para intercambiar su calor. El motor térmico funciona con el diferencial. Es por eso que las plantas de energía nuclear tienen las grandes torres de enfriamiento. Dado que su probable "disipador de calor final" es la habitación a 25 C, elevar la CPU a 55 C no da mucho margen para la generación de energía.
El resultado es que, en lugar de discutir con nosotros sobre su fantasía mal informada, en realidad infórmese sobre la termodinámica de generación de energía. Su desinterés en lo mismo sugiere que no le gusta el conocimiento o la obtención de este. Cierto, el 90% de las veces será un hoyo seco, pero a veces encontrarás algo realmente genial y funcional. Y vuélvete más inteligente por todos lados.
@Harper ¡Claro, por eso pregunto! No estoy discutiendo tratando de convencerlos de que tengo razón. Estoy tratando de mostrarte todos mis pasos de razonamiento. Ya veo que me equivoco...
Profundice en la generación de energía. También profundice en las leyes de los gases, ya que se cruzan de manera bastante crítica: el truco para explotar el calor latente de vaporización a temperaturas extrañas son los freones, o cualquier otro fluido con cuyas características pueda vivir. (por ejemplo, los vasos de espuma se inflan casi universalmente con pentano , porque es ideal... y las fábricas simplemente se las arreglan con la inflamabilidad). Estamos muy, muy lejos de la informática en este punto, pero bueno, los átomos son los nuevos bits. .
@Harper "Su desinterés en lo mismo sugiere que no le gusta el conocimiento o la obtención de él". Mira, estaba leyendo un libro sobre arquitectura de computadoras. Tenía una pregunta, pensé en ella, jugué con ella, se me ocurrió una idea, busqué esa idea, no pude encontrar mucho con mi conocimiento actual. Así que hice una pregunta para informarme... Si no es aquí, ¿dónde debo preguntar y hablar al respecto? Sólo estoy tratando de aclarar todo en mi cabeza.
@EnzoFerber lo siento, eso fue excesivo.
Esta pregunta es fantástica, pero sugeriría un ligero cambio. En lugar de generar electricidad a partir del calor, ¿qué tal si simplemente usamos el calor? Por ejemplo, uso la fuente de alimentación de mi Mac como calentador de café. Tiene el tamaño y la forma adecuados para descansar mi café y siempre está caliente. Si tuviera una sala de servidores y pudiera canalizar un poco de líquido que quisiera calentar a 50 ° C en todas las CPU, entonces obtendría la calefacción gratis. Bueno, al menos los costos de bombeo.
@nocomprende, La idea de hacer una bombilla que se enciende sola es, por supuesto, ridícula; pero una estufa de campamento que utiliza el calor residual para generar suficiente electricidad para recargar su teléfono celular es un producto que puede comprar . La clave es que la cantidad de energía que carga el teléfono es solo una pequeña fracción del calor residual que, a su vez, es solo una pequeña fracción del calor que cocina su cena.
Re, "quitar el disipador de calor por completo". El "disipador de calor" está dondequiera que vaya el calor. Siempre hay un disipador de calor, incluso si no hay una pieza de disipador de calor de metal especialmente diseñada. Sin disipador de calor (es decir, sin ningún lugar al que pueda ir el calor), la temperatura aumentaría muy rápidamente hasta que el chip se derritiera. Un generador termoeléctrico no convierte el calor en electricidad. Genera electricidad a partir del flujo de calor de una fuente a un sumidero.
@jameslarge Gracias por la aclaración. Lo que quise decir fue quitar el disipador térmico de metal especialmente diseñado y reemplazarlo con el "dispositivo milagroso" en el que estaba pensando.
@wontonimo Hasta cierto punto eso sucede. Al calentar su casa, su computadora reducirá (ligeramente) cuánto tiene que funcionar su calentador, ayudando a calentar la habitación. Al diseñar sistemas de control/HVAC para oficinas grandes, por ejemplo, a menudo habrá refrigeración durante todo el año en las áreas intermedias si son lo suficientemente grandes. Todo el calor generado por las personas y los dispositivos en realidad agrega calor neto a las áreas donde no está rodeado de frío. Todavía necesita calentar alrededor del perímetro en invierno, ya que el calor perdido hacia el exterior es mayor que el que generan las personas/dispositivos en el edificio.
Siempre me pareció molesto que tenemos que gastar energía para refrescar en verano y calentar en invierno. ¡Es como tener que caminar cuesta arriba en ambos sentidos! ¿Por qué no hay algún proceso deseable que simplemente funcione? ¿Por qué no podemos almacenar el frío todo el invierno y usarlo en el verano? Solíamos hacerlo, hace cien años. Diez pies bajo tierra se mantiene a 50 grados todo el año. Lástima que no es una temperatura que queremos. Deberían haber hecho a Hawái mucho más grande .
@wontonimo Deberías revisar esto en qarnot.com . Es un centro de datos distribuido implementado en... calentadores. ¡Muy buena idea, en mi opinión!
@nocomprende - Todavía lo hacemos - se llama bomba de calor geotérmica .
@brhans Estaba pensando en graneros llenos de hielo de lagos congelados, llenos de aserrín. Las bombas de calor requieren gastar energía para mover el calor, estaba diciendo, ¿por qué no puede haber algo que funcione de la manera que nos gustaría?
@EtsitpabNioliv, Whooa, ¡robaron el radiador de minería bitcoin de un estudiante de Irlanda hace 6 años! Cuando todos tenían una computadora minando debajo de su cama.
Otro punto que no se menciona es la eficiencia máxima de un motor térmico , que es n=1-(Tcold/Thot). Para una CPU a 70 °C en una habitación a 20 °C, se obtiene una eficiencia máxima (es decir, un límite teórico imposible) de alrededor del 14,5 %. Para una CPU más fría incluso a 50 °C, eso cae a alrededor del 10 %. Entonces, suponiendo una CPU de 100 W donde toda la energía se convierte en calor, nunca podrá generar más de 10 W de potencia, incluso con el mejor motor térmico que se pueda fabricar. En realidad, obtendría una fracción de eso, e incluso menos cuando la CPU estaba más fría o inactiva.
@ frarugi87 Su comentario "Sin generación de energía, lo siento..." es incorrecto. Ciertamente puede generar energía, aunque debido a las pérdidas tradicionales en el transporte y la conversión, la cantidad generada será menor que la cantidad de entrada. La energía generada podría ser suficiente para ejecutar, por ejemplo, un enfriador de CPU sin usar energía externa. O alguna iluminación LED genial. O cargar una batería. El concepto es sonido. Si Colón hubiera escuchado comentarios como el tuyo, el Nuevo Mundo aún podría estar por descubrir.
@ Suncat2000, intente leer mi comentario en lugar de bloquearlo desde el principio. Usted dice "la cantidad generada será menor que la cantidad de entrada". Escribí "la energía requerida para enfriar el disipador de calor es mayor que la que puedes extraer". ¿No es esto lo mismo? Y un sistema en el que tiene que ingresar más energía de la que suministra no es un generador. Así que... No hay generadores.
@ frarugi87 En sus términos, nunca podría haber ningún tipo de generador porque todos los "generadores" pierden una parte de toda la energía del sistema. Es posible que sepa lo que está tratando de decir, pero su falta de habilidades de comunicación no lo está logrando. Un generador está convirtiendo alguna forma de energía en energía eléctrica, independientemente de cuán eficiente o ineficiente sea. Animo al cartel original a hacer una contribución pensando en nuevas y mejores aplicaciones.

Respuestas (7)

tl; dr Sí, puede extraer una pequeña cantidad de energía del calor residual de una CPU, pero su disipador de calor debe ser más grande cuanto más energía desee extraer.

explicación No existe ninguna máquina que convierta el calor en energía, sólo máquinas que conviertan la diferencia de caloral poder En tu caso, esa diferencia es la que existe entre la temperatura de la CPU y la temperatura ambiente. La eficiencia teórica máxima para este proceso es (1 - T_frío / T_caliente), por lo que para una temperatura ambiente de 25 °C, una temperatura de CPU de 40 °C y un flujo de calor de 50 W, podría generar 2,4 vatios de electricidad con un convertidor ideal (las temperaturas son temperaturas absolutas en Kelvins). Si permite que la CPU alcance los 60 grados C, puede obtener hasta 5 vatios, y si permite 100 grados C, puede obtener hasta 10 vatios. Los convertidores de calor a energía de la vida real son más ineficientes, especialmente los elementos termoeléctricos. Recomendaría un motor Stirling, que está más cerca de la eficiencia ideal.

Así es como fluye el calor con un disipador de calor pasivo:

[CPU] --> [Environment]

La unión entre la CPU y el entorno tiene una resistencia térmica, medida en Kelvins/vatio, directamente equivalente a cómo se mide la resistencia eléctrica en voltios/amperios. Es posible que haya encontrado valores de Kelvin/Watt en algunas hojas de datos. Un disipador térmico ideal tiene resistencia cero, por lo que la diferencia de temperatura es 0 y la CPU funciona a temperatura ambiente (25 °C). Con un disipador de calor real de 0,5 K/W y un flujo de calor de 50 W (la CPU genera 50 W de calor), la diferencia de temperatura es de 25 K y la CPU está a 50 °C.

Así es como fluye el calor con su máquina propuesta:

[CPU] --> [Hot end of machine] --> [Cold end of machine] --> [Environment]

Hay resistencias térmicas, es decir, diferencias de temperatura, en los tres puntos. Supongamos que la conexión entre la CPU y el extremo caliente de la máquina es ideal, es decir, están a la misma temperatura. La resistencia térmica dentro de la máquina se utiliza para generar electricidad. La resistencia térmica entre el extremo frío y el ambiente viene dada por el disipador de calor del extremo frío.

Digamos que el disipador de calor en el extremo frío es el mismo que usamos para la CPU, con 0,5 K/W, y queremos que la CPU esté a 50 °C. Entonces, el extremo frío de la máquina ya está a 50 °C, y no puede haber diferencia de temperatura sobre la máquina, es decir, no puede generar energía. Si usamos un disipador de calor dos veces grande (0,25 K/W), entonces el extremo frío estará a 37,5 °C y la diferencia de temperatura sobre la máquina es de 12,5 °C, por lo que puede generar un poco de energía.

Toda máquina que extrae energía de una diferencia de temperatura plantea una resistencia térmica igual a (temperature difference)/(Heat flow). La resistencia térmica de la máquina se suma a la resistencia térmica del disipador, por lo que la temperatura de la CPU siempre será mayor si hay una máquina en el medio.

Por cierto , algunos overclockers van en la dirección opuesta: agregan un elemento termoeléctrico que funciona a la inversa, utilizando energía eléctrica para bombear calor desde la CPU al disipador de calor, creando una diferencia de temperatura negativa. La CPU está en el extremo frío y el disipador de calor en el extremo caliente.

Por cierto , esta es la razón por la cual las plantas de energía nuclear tienen enormes torres de enfriamiento, que funcionan como disipadores de calor del extremo frío.

+1 la única respuesta hasta ahora que aborda el problema real en lugar de centrarse en los efectos secundarios.
Escuché que una caldera de vapor es un dispositivo bastante bueno para extraer energía solo del calor. Naturalmente, debe ir más allá de la temperatura de ebullición para generar vapor que sería útil, momento en el que se cocina el semiconductor. Supongo que teóricamente podrías usar un sistema de baja presión para bajar el punto de ebullición. Apenas vale la pena por un par de docenas de vatios pensados. Plantas nucleares WRT, definitivamente podría usar el calor residual en el ciclo de enfriamiento para proporcionar, por ejemplo, calefacción residencial. Esos átomos malos saltan del agua de refrigeración al agua de calefacción como todo el mundo sabe que pensaba.
@nocomprende: Tienes razón, por supuesto. he aclarado.
@Barleyman: No. No puede haber ningún dispositivo que, como único efecto, convierta el calor en trabajo. Si existiera tal sistema, la construcción de una máquina de movimiento perpetuo sería trivial: tome las piscinas A y B, ambas a la misma temperatura. Usa la máquina para enfriar A y usa el trabajo para calentar B. Usa un elemento termoeléctrico entre A y B para convertir la diferencia de calor en electricidad.
@Barleyman: La calefacción residencial es un disipador de calor inteligente, porque puede cobrar dinero por su uso. Pero no es confiable porque sus clientes no absorberán su calor durante el verano, por lo que necesitará torres como respaldo. Además, la calefacción residencial requerirá al menos 60 grados C, por lo que no podrá enfriar el extremo frío por debajo de los 60 grados C. Recuerde: cuanto menor sea la temperatura del extremo frío, mayor será la eficiencia.
@mic_e No es un movimiento perpetuo, está expulsando calor del sistema al irradiar incluso si tenía un aislamiento perfecto. Si su Ta fuera la misma al principio, obviamente no crearía más presión, por lo que, en ese sentido, decir que la diferencia de temperatura está creando la fuerza es correcto. O en términos más básicos, estás aumentando el movimiento térmico de los átomos para crear más presión.
@Barleyman: el aislamiento perfecto significa que tampoco hay pérdidas por radiación. Puede evitar fácilmente la radiación u otras pérdidas térmicas si tiene sus dos reservas a 2,73 K, en equilibrio con el resto del universo.
@mic_e Hay una temperatura mucho más alta en la circulación secundaria,> 250 grados según el diseño. Por lo tanto, puede construir un sistema de calefacción decente si está diseñado. Debido al átomo maligno, la mayoría de las propuestas analizan la circulación terciaria que, sin embargo, no es lo suficientemente caliente. De todos modos, necesita agua caliente durante todo el año, dependiendo de dónde viva, en realidad se canaliza, no se calienta en una caldera.
@mic_e No estás aislando nada si ambos lados están en equilibrio. Además, no "aislas" la radiación, la reflejas.
+1 por ser la respuesta para terminar con todas las demás respuestas. :) Una pena que se haya aceptado otra respuesta (que está bien pero con mucho menos detalle).
@Barleyman El lado frío de una caldera de vapor es la parte en la que vuelves a convertir el vapor en agua para que puedas volver a hervirlo. Supongo que puedes liberar el vapor a la atmósfera y tomar agua dulce de un río, pero aún tienes un lado frío, es solo el planeta entero.

El problema con los generadores termoeléctricos es que son terriblemente ineficientes.

Para una CPU, TIENES que deshacerte del calor que producen o se derriten.

Podría conectar un módulo peltier y extraer una pequeña cantidad de electricidad de él, pero aún necesitaría disipar el resto del calor a través de un método de intercambio de calor clásico. Es probable que la cantidad de electricidad generada no sea lo suficientemente significativa como para justificar el costo de la instalación.

También PUEDE usar peltiers como refrigeradores. Sin embargo, necesita AGREGAR energía para bombear el calor. Luego, esa energía debe disiparse junto con el calor que está eliminando a través del intercambiador de calor. Al final, este último debe ser más grande para que su efecto neto sea peor.

Heat to power es una idea del "santo grial" y está a la altura de la fusión fría como un sueño teórico.

EDITADO PARA CLARIDAD

La conversión DIRECTA eficiente de calor a electricidad es una idea del "santo grial" y está a la altura de la fusión fría como un sueño teórico.

Heat-to-power no es solo un sueño teórico. Cada motor de combustión interna, cada turbina de vapor, cada motor a reacción está haciendo exactamente eso. Simplemente no tiene ningún sentido a la temperatura a la que operan las CPU. Además, el OP necesita aprender la diferencia entre calor y temperatura.
Probablemente se diga mejor como " el calor residual en energía es un sueño": la mayoría de los sistemas de energía rechazan el calor, pero no hay forma de utilizarlo de manera eficiente debido a Carnot y otros límites.
@DaveTweed Yo diría que la mayoría de los motores convierten la presión en energía cinética o eléctrica y producen una gran cantidad de calor como subproducto, que es su número de eficiencia ... pero de todos modos mejoré su comentario ya que puede argumentarlo de esa manera :)
El contenido de calor del fluido de salida siempre es menor que el contenido de calor del fluido de entrada, razón por la cual todos los dispositivos que enumeré se clasifican genéricamente como "motores térmicos", y su eficiencia general está limitada por las conocidas leyes de la termodinámica. . Un dispositivo Peltier está sujeto a esas mismas leyes, pero para empezar es notoriamente ineficiente.
La presión de @Trevor es el resultado de la aplicación de energía térmica. Esencialmente, la presión es su medio de ingeniería para acceder a la energía térmica. La temperatura se define como la energía cinética promedio, por lo que en cierto modo tiene la idea correcta, pero está equivocado en la causa frente al efecto, siempre que esté hablando de un motor y no de un compresor.
@ChrisStratton suspiro... sí, creo que debería haber dicho conversión DIRECTA de calor a electricidad...
Depende de su calor residual. El calor residual de la CPU a poco más de la temperatura ambiente es inútil y siempre lo será. El calor residual del motor, por ejemplo, es objeto de mucha investigación (un artículo de revisión del año pasado). Otras propuestas realistas incluyen el calor residual de las centrales eléctricas y el calor residual de la energía fotovoltaica.
Puede ser difícil generar energía eléctrica o mecánica útil, pero el "calor residual de la CPU a poco más de la temperatura ambiente" puede mantenerlo caliente en invierno, es decir, la idea del "horno de datos".
@ChrisStratton LOL no solo en invierno... brr hoy hace frío afuera... ¿Pensé que era junio?
Dada la termodinámica tal como la entendemos, la fusión fría es una línea de investigación mucho más prometedora que la conversión directa de calor en electricidad. La fusión fría al menos no tiene una base teórica fundamental para decir que es completamente imposible.
@Christoph: Bueno, en los grandes centros de datos tienes exactamente esta situación. Las bombas de calor (acondicionadores de aire) se utilizan para bombear activamente calor fuera del centro de datos para que el centro de datos sea más fácil de enfriar, y a nadie le importa el enorme consumo de energía.
@Christoph "Por supuesto, el aumento en el uso de energía casi nunca se justifica". Ese era mi punto, solo mueves el problema a otra parte. Mantendrá la superficie de la CPU más fría, pero emanará más calor de la caja en total. Sin embargo, tiene sus usos para espacios reducidos y aplicaciones mal ventiladas.

Para generar electricidad, desea que el lado caliente (procesador) esté lo más caliente posible para lograr la máxima eficiencia. El generador térmico ralentiza el movimiento del calor a medida que extrae energía de él.

Para realizar cálculos, desea que el procesador esté lo más frío posible. Las temperaturas más altas aumentan la resistencia eléctrica del silicio. Es por eso que tiene disipadores de calor, ventiladores, etc. de alta conductividad: para alejar el calor lo más rápido posible.

Estos requisitos se contradicen directamente entre sí.

O, para decirlo de otra manera, tendría que hacer que la CPU funcione significativamente peor para extraer incluso una cantidad insignificante de energía. Esa es una propuesta perdedora. Si puede tolerar que la CPU funcione peor, sería mejor que le proporcionara menos energía en primer lugar en lugar de proporcionar mucha energía adicional solo para calentarla y poder recuperar una pequeña fracción de eso.
En realidad, el silicio es lo opuesto al metal: la resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura . Sin embargo, las altas temperaturas causan ruido y la baja resistencia provoca otros problemas. Ambos causan errores de CPU.
Dado que esta pregunta es principalmente un experimento mental; ¿Se beneficiaría una granja de servidores en Plutón del aislamiento manteniéndolo en un clima templado como el del Polo Norte? Si el aislamiento es demasiado efectivo, ¿podría reemplazarlo con materiales termoeléctricos?
@gmatht Ya hay experimentos con centros de datos en lo profundo de los océanos. Parece bastante prometedor para los clústeres en la nube: enfriar incluso las grandes granjas de servidores es casi trivial a esas temperaturas ambientales, y el agua puede transportar mucho calor fácilmente. Sospecho que Plutón sería bastante poco práctico, incluso si solo nos preocupara la temperatura y no las otras dificultades prácticas :)
@TomLeys eso es una simplificación excesiva. Con semiconductores no dopados, la resistencia disminuye con la temperatura. Con semiconductores dopados puede ir en cualquier dirección.
@gmatht Un centro de datos en Plutón tendría que lidiar con el hecho de que hay una atmósfera cercana a cero en Plutón, por lo que la disipación de calor solo puede ocurrir por radiación, que es muy ineficiente en comparación con otros métodos. ¿O tal vez te referías a Plutón, el perro de Mickey Mouse? :) En ese caso, supongo que tendría que enfrentarse a los efectos aislantes del pelo de perro, ¡que son considerables!
@MichaelKjörling Supongo que construyó el centro de datos plutoniano con una atmósfera parcial: nitrógeno condensado en las paredes y hirviendo del equipo.
@ Suncat2000 que estaba en relación con "transferencia de calor frente a radiación", no la perspectiva poco realista de generación
@ pjc50 Esa es una suposición errónea. Quieres un diferencial de calor. Así es exactamente como funciona un disipador de calor normal: moviendo la energía del lado más caliente al lado más frío. Si coloca un generador térmico en el medio, puede generar electricidad a partir de ese flujo de energía y aprovechar algunos de los desechos. Tal vez no mucho, pero ciertamente no es imposible.
@ Suncat2000 No puedo entender a qué suposición te refieres y llamas "defectuosa". Estaba diciendo que, en lugar de un vacío, querrías una atmósfera para eliminar el calor del "lado frío", independientemente de si tienes un TEG allí o no.

Sorprendido de que nadie más haya mencionado esto:

Generar electricidad a partir del calor residual de algún proceso que queme combustible puede tener sentido. ¿Generar electricidad a partir del calor residual de un sistema que funciona con electricidad en primer lugar? Eso no tiene sentido. Si es posible que usted ahorre energía haciendo eso, entonces es posible que ahorre aún más energía al construir un sistema que utilice la electricidad de manera más eficiente en primer lugar.

Exactamente. Si la CPU puede tolerar la extracción de energía de su calor, está funcionando de manera muy ineficiente y sería mejor explotar esa ineficiencia para que use menos energía en primer lugar en lugar de intentar extraer una pequeña fracción de ella.
Creo que esta respuesta debería estar más arriba. No existe ningún dispositivo que pueda recuperar la energía eléctrica de manera eficiente y sin pérdidas. El procesador en sí debería optimizarse en su lugar.
El mismo argumento se puede aplicar a los motores que queman combustible: optimizar un motor térmico rinde más que intentar recoger el calor residual.
@DmitryGrigoryev, razón por la cual no vemos motores de automóviles y centrales eléctricas cubiertos de elementos peltier
Es bastante común que las centrales eléctricas utilicen el "calor residual" de las turbinas de gas para hacer funcionar las máquinas de vapor.
@Christian, en realidad, a los fabricantes de automóviles les gustaría usar termoeléctricos en lugar de un alternador accionado por correa menos confiable para alimentar el sistema eléctrico de un automóvil o camión, pero hasta ahora, el costo de fabricación ha impedido que pase la etapa de prototipo. es.wikipedia.org/wiki/…
@DmitryGrigoryev: con una salvedad: cogeneración. Recolectar el calor residual y usarlo para calentar otras cosas es fantásticamente efectivo.
@whatsisname como el sistema de calefacción de aire acondicionado de un automóvil
Meta-comentario: Probablemente a nadie se le ha ocurrido dar esta respuesta antes porque no forma parte de la pregunta. El hecho es que las CPU generan calor. El OP establece ese hecho en aras de la exhaustividad o para establecer el contexto de la pregunta. El OP no pregunta cómo/si esto se puede evitar. La pregunta es si el calor, que es un hecho, puede usarse para generar electricidad. Por lo tanto, no tiene sentido proponer evitar el calor (en el contexto de esta pregunta).
¡Esta es una manera muy interesante de pensar en ello!
Además del comentario de @whatsisname, Cray Research calentó sus instalaciones de Chippewa Falls, Wisconsin, utilizando principalmente el calor generado por la construcción y prueba de supercomputadoras. Eso evitó las ineficiencias de conversión: las computadoras producían aire caliente, y el aire caliente era exactamente lo que se necesitaba en los inviernos de Wisconsin.
Eso es tan absurdo como los calentadores eléctricos. Quién sería tan estúpido como para intentar eso.

Las leyes de la termodinámica establecen que juntar dos fuentes de energía de la misma temperatura no equivale a un nivel de energía más alto. Por ejemplo, verter una taza de agua caliente en otra taza de agua caliente no hace que la combinación sea más caliente que las tazas separadas.

El calor también es una de las formas más bajas de energía en la que se puede hacer muy poco con él. La electricidad puede hacer funcionar circuitos, el viento puede crear movimiento mecánico, pero el calor no puede hacer mucho más que poner más energía en un fluido o sólido.

Dicho esto, el método más factible para obtener energía del calor es hervir un fluido (agua, por ejemplo) para hacer girar una turbina. Poner varios disipadores de calor juntos y conectados a una tina puede hacer que el agua hierva si todas las CPU están por encima de los 100 C. Pero, como probablemente puedas inferir, esta es una idea terrible.

Obtener energía utilizable de un gradiente de calor es bastante fácil, pero la eficiencia aumenta a medida que la diferencia se hace más amplia. Así es como funcionan, por ejemplo, los motores de combustión, y es por eso que un motor termodinámico intenta calentarse tanto como sea práctico, mientras mantiene el otro lado tan frío como sea posible. El gradiente entre una CPU de 50 °C y su entorno de 25 °C no le brinda muchas oportunidades para extraer energía útil; de hecho, mantener la CPU lo suficientemente fría es un desafío, y un motor térmico solo empeoraría las cosas.
No se trataba de eficiencia, sino de practicidad. Hervir agua con el calor residual de una CPU no es práctico independientemente del gradiente de temperatura.
Agua hirviendo a presión ambiente, seguro. Pero nadie dice que tiene que ser agua, y que tiene que estar a presión ambiental; hay muchas cosas que tendrían un punto de ebullición conveniente. Usamos muchos refrigerantes diferentes dependiendo de las condiciones, incluidos los ahora populares tubos de calor que se usan para enfriar las CPU, usando refrigerante evaporativo de agua a baja presión que supera ampliamente la conducción de calor de la carcasa. La eficiencia y el costo es todo lo que importa: extraer incluso una pequeña parte de la energía en un gradiente tan pequeño es imprácticamente costoso.

Pensamiento divertido, pero no. Su CPU no es solo un chip, hay cables de unión y una carcasa involucrada que no tendría exactamente ninguna posibilidad a 1000 ° C.

Aparte de eso, todavía hay que considerar algunas leyes de la termodinámica. Todavía tiene que poner una gran cantidad de energía en el sistema para obtener muy poca. El elemento Peltier al que se refiere necesita un gran dT (diferencia entre el lado frío y el caliente), por lo que simplemente quitar los disipadores de calor hará que el lado "frío" alcance la misma temperatura que el lado caliente, por lo que no se ganará más energía aquí, necesitará enfriar el lado frío, lo que arruinará aún más la eficiencia. Por otro lado, esos elementos Peltier se pueden usar para generar una diferencia de temperatura como en el enfriamiento de la CPU.

En teoría, es posible . Todo lo que necesitas es alguna "sustancia" que genere electricidad cuando una de sus superficies está a 40c y la otra a 20c.
Actualmente, existen termopares que hacen exactamente esto (cambiar calor a electricidad), pero a una temperatura mucho más alta.

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