¿Es posible hacer mejores resistencias para computadoras?

El problema no es la resistencia. Es capacitancia.

En cada circuito lógico, un transistor acciona la puerta de otro transistor. Cada puerta es efectivamente un circuito abierto: tiene una resistencia increíblemente alta. Pero tiene una pequeña capacitancia parásita. Esto se puede minimizar, pero no se puede hacer cero.

Este pequeño condensador almacena carga, por ejemplo, cuando la etapa de conducción es un ‘1’, se colocan algunos voltios en la siguiente puerta a lo largo de la cadena, y esa puerta se carga hasta ese voltaje. Cuando la etapa de conducción va de ‘1’ a ‘0’, la carga en esa capacitancia de la puerta debe eliminarse. El transistor de accionamiento efectivamente cortocircuita el condensador, descargándolo a tierra. Pero ese transistor no es perfecto, y la energía almacenada tiene que ir a algún lado. Entonces, la pequeña corriente de descarga calienta el transistor de conducción. La carga es minuto y la resistencia del transistor es muy baja, pero un microprocesador tiene millones de estos circuitos, todos cambiando al mismo tiempo, miles de millones de veces por segundo.

Podemos minimizar y minimizamos la capacitancia de la puerta parásita, y podemos minimizar la resistencia de ENCENDIDO de los propios elementos de conmutación, pero el problema fundamental persiste: la energía se almacena y se ‘desecha’ cada vez que cambiamos. Hay puertas reversibles que conservan esta energía y, en teoría, permitirían que un chip funcione mucho más frío, pero que yo sepa nadie ha construido un procesador funcional a escala comercial utilizando estos circuitos.

Hay relativamente pocas resistencias utilizadas en los dispositivos informáticos modernos. La mayoría de las resistencias que existen son parte de las fuentes de alimentación y otros sistemas de dominio analógico. En su mayoría, están allí para dividir los voltajes en fracciones más pequeñas que se utilizan para aplicar correctamente a otros componentes analógicos, como amplificadores, comparadores y filtros. Los valores de resistencia que se eligen son muy deliberados y se eligen de acuerdo con el propósito específico. Comprender un poco de la teoría básica del circuito lineal explica la mayor parte, pero es suficiente para decir que las pérdidas que existen a través de la potencia disipada por las resistencias es una fracción extremadamente pequeña de las pérdidas generales.

La mayoría de las pérdidas y la limitación de velocidad ocurren en cada una de la gran cantidad de transistores que componen los componentes lógicos digitales, particularmente la CPU misma. Hay una razón por la que la CPU a menudo tiene un sofisticado sistema de disipación de calor. Mejorar la eficiencia de los transistores utilizados en la lógica digital, como la CPU y la memoria, es un esfuerzo continuo de todas las empresas que producen y diseñan esas piezas. Los cambios incrementales a lo largo de las décadas nos han llevado de velocidades sub-MHz a multi-GHz, y esos aumentos en la velocidad son el resultado de ese esfuerzo. La potencia de computación en su teléfono inteligente promedio de 2016 solía ocupar una habitación grande con un sistema de suministro de energía y aire acondicionado dedicado completo.

En realidad, eso es más complicado que eso: el propósito de las resistencias (en realidad “transistores”) es “regular” la electricidad.

Lo que realmente produce calor es la transición de 1 a 0 o viceversa. Dado que los circuitos funcionan con voltaje, baja resistencia significa una transición rápida, pero también corrientes de pico más altas y una mayor disipación de potencia. Mayor resistencia significa menor disipación de potencia pero una transición más lenta.

Cuanto más rápido quiera ir, mayor será la disipación que tendrá su “motor” y sus “frenos” en todo momento.

Las computadoras generan calor porque usan energía y no son 100% eficientes. El aumento de la eficiencia eléctrica de la computadora es algo muy importante para los fabricantes porque la energía desperdiciada se vierte por la borda ya que el calor residual y el calor son difíciles de mover y administrar dentro de la computadora.

Las computadoras realmente no usan muchas resistencias. Utilizan millones de transistores, que tienen algo de resistencia. Empresas como Intel y AMD trabajan muy duro para reducir eso en la resistencia. Ha ayudado a reducir los transistores y reducir los voltajes internos.

Entonces, indirectamente, la respuesta a su pregunta es: Sí

La eficiencia de cualquier sistema basado en un procesador tiene menos que ver con la resistencia y más con una variedad de eficiencias del circuito. Primero, el voltaje de CA debe convertirse a CC usado por los procesadores modernos. Cualquier cosa superior al 85% de eficiencia le costará más dinero. Suponiendo que cree, por ejemplo, un riel de 3.3V, los procesadores modernos también necesitan voltajes más bajos, generalmente alrededor de 1.0V para la lógica interna del chip. Estos convertidores CC / CC son más eficientes y funcionan hasta un 90% antes de que el costo comience a aumentar. La memoria DDR requiere 2.5V, la mayoría de los sistemas en estos días terminan con muchos rieles de bajo voltaje. Antes de que haya procesado su primer bit, ya está generando un considerable calor residual.

Técnicamente, la resistencia DC representa un tipo de pérdida, I ^ 2 * R pérdidas. Luego, cuando los circuitos cambian, hay pérdidas dinámicas o de conmutación que no tienen nada que ver directamente con la resistencia, pero que, sin embargo, son muy reales. La gran razón para los voltajes internos más bajos de los chips modernos es que la disminución del voltaje disminuye las pérdidas de conmutación.

La razón por la cual los sistemas basados ​​en procesadores no se hacen más eficientes en general es porque es más costoso y requiere más tiempo crear una mejor eficiencia. Los consumidores en general no pagarán la prima requerida, por lo que generalmente hay pocos incentivos para que los fabricantes hagan que sus productos sean más eficientes. Hay algunos mercados como servidores para centros de datos, médicos y de defensa donde el costo es menos preocupante y el desperdicio de calor puede costar dinero. La conversión de energía de mayor eficiencia existe para servir estas aplicaciones.

Cuando se habla de la resistencia de un FET, cuanto menor es la resistencia, mayor es el tamaño del FET en el dado. El área de la matriz se traduce directamente en costo, por lo que aquí hay otro lugar donde resulta más costoso reducir las pérdidas.

Al igual que con muchos problemas de ingeniería, existe una compensación entre dos objetivos en competencia y, por lo tanto, se logra un equilibrio, impulsado principalmente por las fuerzas del mercado.

Resulta que la resistencia típica utilizada en una computadora tiene una alta resistencia y permite que fluya poca corriente a través de ella. Esto significa que tienden a convertir solo cantidades muy pequeñas de energía en calor (de la ecuación: potencia = voltaje * corriente).

En cambio, gran parte del uso de energía en una computadora se reduce al costo de encender y apagar sus transistores. Multiplique esto por miles de millones de transistores en una CPU moderna, cambiando miles de millones de veces por segundo y puede terminar con un consumo de energía bastante alto.

La reducción de la cantidad de transistores conmutados, la cantidad de veces que cambian (al reducir la frecuencia del reloj), el tamaño de los transistores y el voltaje utilizado para accionarlos, pueden generar grandes ahorros de energía.

Esta es la razón por la cual las CPU modernas pueden cambiar su velocidad de reloj de acuerdo con la carga de trabajo en cualquier momento dado y, cada vez más, usar transistores cada vez más pequeños a un voltaje de operación más bajo que el que vimos en uso hace unos años.

Esta es también la razón por la cual ciertos transistores en un procesador se pueden apagar, si no son necesarios por un período de tiempo.

Este es un Microchip circa 1963

907 transistores

Este es un Microchip circa 1970

CCD temprano (para cámaras)

Motorola 68000 (usado en el primer Apple Macintosh)

Procesador Intel i7 (estimado 781 millones de transistores)

Así que son 781 MILLONES de transistores con muy poco espacio entre ellos que se encienden y apagan muy rápidamente.

Eso va a producir un gran grado de calor.

En las primeras fichas, el paquete desviaba parte del calor, pero a medida que las fichas se volvían más poderosas, solo había más calor para desviar.

El embalaje fue a cerámica y luego necesitabas disipadores de calor para deshacerte del calor.

Finalmente, el disipador de calor necesitaba un ventilador para disipar el calor y ahora los ventiladores son imprescindibles para evitar que todo se derrita en el tablero.

En cuanto a las resistencias en sí mismas, tienen los valores que tienen porque algún (presumiblemente) ingeniero experto decidió para cada uno de ellos cuál era el valor óptimo en esa instancia en particular. Reducir a propósito su resistencia cambiaría otros parámetros del circuito, (probablemente) degradando el rendimiento de una forma u otra.

Pero también hay muchas resistencias “accidentales” en una computadora, o cualquier otra cosa que llamamos “electrónica”: los cables tienen resistencia, el silicio con el que funcionan los chips también lo tienen. Lo mismo ocurre con todos los demás componentes que transportan corriente en todo el dispositivo. En su mayor parte, sus resistencias ya son tan pequeñas como prácticas para hacerlas. (Para un material dado, la forma de reducir su resistencia es hacerlo más grande).

Y en el fondo, el propósito explícito de una resistencia (de cualquier tipo) es convertir la energía en calor.

Pero se pone peor. Muy cerca del 100% de toda la energía eléctrica que fluye a una computadora desde el tomacorriente de la pared se convierte en calor. Un poco sale como luz de la pantalla, una pequeña cantidad como señales de Ethernet en un cable, o como ondas de radio del WiFi, una cantidad minúscula como sonido de los altavoces, una cantidad extremadamente pequeña constituye la información real almacenada en la computadora o su disco duro, pero todo lo demás solo va a calentar el área local. En realidad, todas esas otras cosas: la luz de la pantalla, WiFi, audio, … también se convierten en calor; eso solo sucede fuera del gabinete de la computadora real.

La generación de calor es la consecuencia natural de la resistencia al flujo de corriente. La cantidad de calentamiento está ligada a la resistencia y la corriente. La corriente que se disipa se convierte en calor. Entonces, la pregunta natural es ¿por qué incluimos resistencias si solo van a generar calor?

La potencia se calcula multiplicando la corriente por el voltaje. El voltaje es resistencia por corriente. La resistencia es intrínseca a todos los conductores no exóticos. Más allá de eso, se necesita resistencia para garantizar que se cumplan los voltajes o niveles de corriente adecuados entre la etapa de un circuito.

Otra cosa a tener en cuenta es que gran parte del calor de las computadoras proviene de encender y apagar los transistores microscópicos. Cuanto más rápido cambian, más calor generan. La velocidad a la que cambian es la velocidad de reloj citada (es decir, 3GHz). ¡Nadie quiere volver al rendimiento de las computadoras en los años 90!

Si se pregunta utilizar una computadora por un largo período de tiempo sin dejarla descansar. Esto se puede hacer. En este caso, estoy hablando de escritorios, hay mucha información sobre esto que puede beneficiar de Internet, por ejemplo, agregando ventiladores adicionales para enfriar la placa base, por ejemplo. Pero si desea reducir la cantidad de resistencia de las resistencias, este será otro caso que le aconsejo que no profundice demasiado en esto porque las computadoras están bien hechas hoy en día con la máxima calidad posible. Si sabe mucho acerca de la energía generada por las resistencias y cómo se comportan las resistencias, finalmente puede aceptar la calidad actual de las computadoras en funcionamiento porque la reducción de la resistencia no solo afectará la energía o el calor generados, hay muchas más consecuencias para tal caso, que debe ser manipulado .

¿No sería también mejor reducir la temperatura de los incendios y frenar el calentamiento global? ¿Tal vez fundir acero a 100 ° F? (Entiendes cuán ridícula era esa pregunta, ¿verdad?)

Una resistencia disipa I ^ 2R vatios de calor. No hay forma de reducir eso. Puede hacer una resistencia de 1,000 vatios en un circuito que va a disipar 1 vatio, pero aún obtendrá 1 vatio de calor (aunque la temperatura de la resistencia no aumentará mucho). Podrías reducir la resistencia (el término R), pero luego la corriente (el término I) aumentaría, y probablemente quemarías algo que realmente necesitara más resistencia.

Como dijo Emilio Garavaglia, las resistencias regulan la corriente, y usted usa la resistencia necesaria para regular la corriente según lo que necesita. Regularlo a más probablemente no sea una gran idea.

No resistencias, sino resistencia, que tiene cada componente. Los ingenieros y los científicos de materiales intentan hacer que la computación sea más eficiente, pero es mucho trabajo satisfacer las restricciones de velocidad, durabilidad, errores mínimos, costo y eficiencia. Este es un caso donde lo que parece agua poco profunda es realmente muy profunda.

En una computadora, el calor de las resistencias tiene muy poco efecto.

Con un buen diseño de circuito, se puede reducir aún más. Ahora que es un equilibrio contra el rendimiento y el costo de fabricación .

Es la CPU y otros chips que utilizan la mayor parte de la energía.

Cuanto más rápido empuje la computadora, más calor generará.

Las computadoras en estos días tienen características de ahorro de energía . ¿Leer esto como “correr más fresco”?

La resistencia no solo produce calor. La resistencia también puede producir trabajo en varias formas. La resistencia actual al encuentro es la única forma de extraer cualquier trabajo o calor de un sistema electrónico. Al menos en situaciones típicas. Es un mal necesario, por así decirlo.

Las resistencias se eligen específicamente por el valor de resistencia para realizar su función requerida.

Tomar una resistencia de menor valor es como llevar una cubeta demasiado pequeña, como 1 galón, al pozo porque es más fácil de transportar. Funcionará realmente bien hasta que trates de recuperar 5 galones de agua.

Además, la mayoría de la energía en una computadora no se disipa por resistencias. Y dependiendo del circuito real, la reducción de los valores de las resistencias puede aumentar la potencia consumida. La potencia total consumida determina el calor.

El problema es que las resistencias están ahí por una razón: para proporcionar resistencia. Si quita eso, la computadora deja de funcionar.

OTOH, si la corriente se puede reducir, el uso de energía disminuye.