利用 CPU 热量发电

电器工程 中央处理器 散热器
2022-01-18 03:17:45

我一直在阅读 Tanenbaum 的结构化计算机组织,他说提高 CPU 时钟速度的主要瓶颈之一是热量。所以我开始思考:有没有可能把散热片完全去掉,然后用这些热量来产生更多的电能?我一直在搜索这个,发现了这些热电材料和这个热电发电机

维基百科上的热电发电机概念

我在那篇维基百科文章中读到“硅锗合金是目前最好的热电材料,大约在 1000°C (...)”,我知道 CPU 通常在 30~40°C 左右工作。因此,达到 1000 °C 需要更多的 CPU。

所以我想:如果让很多CPU 并联而不用散热片来收集更多热量呢?我们还可以对这些 CPU 进行超频,看看它们会产生多少热量。

但我被困住了。我不知道接下来会怎么想。我什至不知道这是不是一个好的思路。

我的问题是:为什么不开发某种可以从 CPU 的热量中发电的散热器呢?我知道一定有人已经考虑过这一点,并想了一个为什么不这样做的原因,但我想不通。

那么,为什么不可能呢?


编辑澄清:我不希望 CPU 在 1000°C 下工作。我将列出我的推理步骤(不一定正确),大致是:

  1. CPU 时钟速度受工作温度 (T) 的限制。
  2. CPU 会产生热量。热量使 T 上升。
  3. 散热器负责处理热量以保持 T=40°C。
  4. 用热电发电机代替散热器(由 SiGe 或类似材料制成)
  5. 将很多CPU并排放置以增加热量产生。
  6. 热量从 CPU 传到 TEG,因此 CPU 保持在 T=40°C。
  7. 这可能吗?
  8. 如何构建这样的 TEG?使用哪种材料?
  9. 为什么这样的设备还不存在?
  10. 问了这个问题。

EDIT2:我看到我的想法从根本上是错误和糟糕的。感谢所有的答案和评论。对任何误解深表歉意。

4个回答

热电发电机的问题是它们效率极低。

对于 CPU,您必须摆脱它们产生的热量,否则它们会熔化。

您可以连接一个珀耳帖模块并从中提取少量电力,但您仍然需要通过经典的热交换方法消散剩余的热量。产生的电量可能不足以保证安装成本。

您也可以使用珀耳帖作为冷却器。但是,您需要添加电源以排出热量。然后,该功率需要与您通过热交换器排出的热量一起消散。最后,后者需要更大,因此您的净效果更差。

热能发电是一个“圣杯”的想法,并且以冷聚变作为理论梦想。

为清晰而编辑

从热能到电能的高效直接转换是一个“圣杯”的想法,并且将冷聚变作为理论上的梦想。

为了发电,您希望热端(处理器)尽可能热以实现最高效率。热发生器在从中提取能量时减慢了热量的运动。

为了进行计算,您希望处理器尽可能较高的温度会增加硅的电阻。这就是为什么你有高导热散热片、风扇等的原因:尽可能快地将热量带走。

这些要求直接相互矛盾。

很惊讶没有其他人提到这一点:

从某些燃烧燃料的过程中产生的废热发电是有意义的。从最初由电力驱动的系统的废热中发电?这是没有意义的。如果您可以通过这样做来节省能源,那么您可以通过首先构建一个更有效地使用电力的系统来节省更多的能源。

tl;dr 是的,您可以从 CPU 的废热中提取少量功率,但是您的散热器必须越大,您想要提取的功率就越多。

解释 没有将热量转化为电能的机器,只有将热差转化为电能的机器进入权力。在您的情况下,该差异是 CPU 温度和环境温度之间的差异。此过程的最大理论效率为 (1 - T_cold / T_hot),因此对于 25 摄氏度的环境温度、40 摄氏度的 CPU 温度和 50W 的热流,您可以使用理想的转换器产生 2.4 瓦的电力(温度是以开尔文为单位的绝对温度)。如果允许 CPU 达到 60 摄氏度,则可以达到 5 瓦,如果允许 100 摄氏度,则可以达到 10 瓦。现实生活中的热电转换器效率更低,尤其是热电元件。我建议使用斯特林发动机,它更接近理想效率。

这是热量通过无源散热器的流动方式:

[CPU] --> [Environment]

CPU 到环境的结具有以开尔文/瓦特为单位测量的热阻,直接等同于以伏特/安培为单位测量电阻的方式。您可能在某些数据表中遇到过开尔文/瓦特值。理想的散热器电阻为零,因此温差为 0,CPU 在环境温度(25 摄氏度)下运行。实际散热片0.5K/W,热流50W(CPU产生50W热量),温差25K,CPU温度50度。

这是热量在您建议的机器上的流动方式:

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

所有三个点都存在热阻,即温差。让我们假设CPU和机器热端之间的连接是理想的,即它们处于相同的温度。机器内部的热阻用于发电。冷端与环境之间的热阻由冷端散热器给出。

说冷端的散热片和我们CPU用的一样,0.5K/W,我们想让CPU在50度,那么机器的冷端已经是50度了,并且机器上不能有温差,即它不能发电。如果我们使用两次大的散热片(0.25K/W),那么冷端将在37.5摄氏度,机器上的温差是12.5摄氏度,所以它可以产生一点功率。

任何从温差中获取能量的机器都会产生等于 的热阻(temperature difference)/(Heat flow)机器的热阻是加在散热片的热阻上的,所以如果中间有机器,CPU温度会一直比较热。

顺便说一句,一些超频者采取了相反的方式:他们添加了一个反向运行的热电元件,使用电力将热量从 CPU 泵送到散热器,从而产生负温差。CPU在冷端,散热器在热端。

顺便说一句,这就是为什么核电站有巨大的冷却塔,作为冷端散热器。