Proč v počítačích vzniká teplo

Proč v počítačích vzniká teplo – OBSAH

1. Někdy teplo chceme vyrábět, jindy se mu vyvarovat
2. Přilišné teplo může být pro čipy konečná
3. Každý výmaz generuje teplo

Někdy teplo chceme vyrábět, jindy se mu vyvarovat

Pokaždé, když energii donutíme dělat účinnou práci, část energie se neužitečně mění v teplo. Základním zdrojem přeměny elektrické energie v teplo je v elektronice elektrický odpor vodičů (R, resistance). Každý elektrický obvod má schopnost bránit průchodu elektrického proudu tak zvanou impedancí, která se skládá z imaginární reaktance a reálné rezistence.

Rezistenci měříme – a podle ní rozdělujeme materiály na vodiče a izolanty. Rezistence je poměrně komplexní veličina sama o sobě, závisí na materiálu vodiče, jeho průřezu, délce i teplotě. Obecně platí, že se stoupající teplotou odpor vodičů roste, zatímco u polovodičů klesá. Tohoto jevu se využívá například u klasických žárovek anebo topných těles, u kterých se při zvýšení teploty zvyšuje i odpor a lépe se proměňuje v teplo.

Zatímco u rychlovarné konvice anebo elektrického vytápěcího tělesa je podobný jev vítaný, ve většině případů nám způsobuje potíže. Rezistence velkých elektrických vedení způsobuje ztráty, kdy se kvůli ní přenášená energie mění v teplo a jen tak vyhřívá okolí. Ve speciálních typech počítačů, jako jsou kvantové počítače, nám vyzařované teplo doslova ničí kvantové stavy a znemožňuje počítačům fungovat. V obou případech by řešením byly supravodiče, což jsou vodiče s nulovým elektrickým odporem, ty zatím bohužel vyžadují hluboké chlazení a zatím bohužel nemáme supravodiče schopné fungovat za normálních teplot, což by nám značně zjednodušilo jak dálkové přenosy elektrické energie, tak i konstrukci kvantových počítačů.

Přilišné teplo může být pro čipy konečná

Teplo, vytvářené elektrickým odporem, je ale obecně problém výpočetní techniky. Tepelné ztráty totiž rostou s kvadrátem procházejícího proudu, což znamená, že čím výkonnější počítač postavíme, tím víc nám začne „topit“. Odpadní teplo generuje každý vodič a každá součástka s nenulovým odporem, uvnitř počítačových čipů, které obsahují polovodiče, odpor neustále variuje na tranzistorech, které spínají obvody – a to konkrétně na jejich polovodičových PN přechodech. Tohle teplo je zvláště zákeřné, protože pokud se ho nepodaří rychle odvést, začne měnit odpor na přechodech – a to konkrétně snižovat, takže se celý čip stává pro elektřinu vodivější. Pokud se neuchladí dostatečně rychle, dojde k překročení kritické meze, kdy jeho vnitřní odpor začne klesat, čip se začne prudce zahřívat a nakonec shoří.

Aby se tomu zabránilo, používá se nejen pokročilé chlazení, ale také mechanismy zabraňujícími zničení čipu: Moderní čipy mají celou baterii teploměrů, které zjišťují přesnou teplotu jednotlivých částí čipu a snižují jeho pracovní frekvenci a tedy i výkon v případě, že se teplota dostane na kritickou mez.

Klíčové je ale dostatečně rychle a efektivně teplo odvádět, nestavit mu do cesty překážky – a tam narazíme na pojem, který vás může mást, totiž na tepelný odpor (thermal resistance). Podobně jako elektrický odpor brání průchodu elektrické energie, tepelný odpor brání úniku tepla – a to u počítačů rozhodně nechceme. Materiály s vysokým tepelným odporem fungují jako tepelná izolace, což oceníme u domovů nebo například u ledniček, ale rozhodně nechceme mít takový materiál mezi procesorem a jeho chladičem. Pro snížení tepelného odporu se proto používají pokročilé techniky, jako je pastování čipů teplovodnými pastami, které mají za úkol minimalizovat tepelný odpor a odvést co nejvíce tepla co nejrychleji do chladiče.

Každý výmaz generuje teplo

Počítače vytvářejí ztrátové teplo ještě dalším, o poznání divnějším mechanismem – totiž tím, že při práci ničí informaci. Ve fyzickém světě je informace svázaná s energií a její proměna není zadarmo, jak už v roce 1961 objevil fyzik Rolf Landauer, který tedy pracoval pro IBM. Vymazání informace vždy vede k nárůstu entropie a vždy uvolňuje určité množství tepla, které závisí na teplotě okolí. Landauerův vztah je docela pěkná nerovnice E ≥ k_b ⸱ T ⸱ ln 2, kde k_b je Boltzmannova konstanta, jedna z velmi důležitých fyzikálních konstant udávajících vztah mezi termodynamickou teplotou a vnitřní energií plynu: 1,380 649 × 10^-23 J·K^-1, a T je absolutní teplota prostředí v Kelvinech.

Landauerův vztah zjednodušeně řečeno říká, že nelze zpracovávat informaci bez určitých minimálních ztrát energie, které jsou sice malé, ale prostě tam jsou. Při pokojové teplotě je jeho limit asi 0,018 elektronvoltu, což je číslo miliardkrát menší, než spotřebují dnešní počítače. Zdálo by se, že nás tento limit zajímat nemusí, ale jednou, až budeme stavět opravdu obrovské a opravdu efektivní výpočetní stroje, se nám tenhle problém vrátí.

Ve svých důsledcích totiž udává, že existuje pouze konečně velké množství informace, které lze uložit do kilogramu hmoty – a protože je vesmír konečný, je z něj odvozen tak zvaný Brenemannův limit, totiž horní mez toho, co se v konečném vesmíru dá spočítat. Pokud vám tohle připadá jako naprostý úlet, pak vězte, že při vývoji kryptografických algoritmů se tento limit používá jako horní odhad „míry neprůstřelnosti“ kryptografie: Pokud je výpočet k rozlomení šifry náročnější, než zvládne stroj, který nám dovoluje postavit náš fyzikální vesmír, bude to hodně bezpečná kryptografie!

Ztráty energie v podobě tepla jsou nevyhnutelnou součástí fungování elektronických systémů. Zatímco v některých případech je přeměna energie v teplo žádoucí, v mnoha aplikacích, zejména v moderních počítačových čipech, představuje vážný problém, který vyžaduje účinné chlazení a optimalizaci. Supravodiče by mohly nabídnout revoluční řešení tím, že by eliminovaly elektrický odpor, avšak jejich využití je zatím omezeno nutností extrémního chlazení. I když se ztráty energie ve formě tepla nyní zdají nevyhnutelné, pokrok v materiálových vědách a technologie chlazení mohou v budoucnu tyto ztráty výrazně snížit.

Michal Rybka

Michal Rybka je publicista a nadšenec s 20 lety zkušeností v IT a gamingu. Je kurátorem AlzaMuzea a YouTube kanálu AlzaTech. Napsal několik fantasy a sci-fi povídek, které vyšly v knižní podobě, a pravidelně pokrývá páteční obsah na internetovém magazínu PCTuning.