Frage Effizienz / Wirkungsgrad eines Personal Computers

[frischeDaten]

Liebe Community,

ich habe eine Frage, welche ich mir selbst durch Google-Suchen nicht beantwrten konnte.
Ich würde gern aus Neugierde heraus wissen, welchen Wirkungsgrad ein aktueller (Personal) Computer hat.
Es ist recht einfach den Wirkungsgrad von Netzteilen herauszufinden. Jedoch finde ich es schwieriger für einen ganzen PC.

Ich kann mir auch einen Testaufbau vorstellen, bei dem man einen gesamten PC zum Beispiel in einer überwachten Kammer etwas rechnen lässt, Spiele, Encoding, Mining.Misst man die gesamte Abwärme bzw. deren Wärmenergie und setzt sie ins Verhältnis zur bereitgestellten elektrischen Energie, sollte man der Sache schon recht nahe kommen, oder?

Kann man diese Werte irgendwo nachlesen? Sicher gibt es solche Erkenntnisse bereits, ich finde sie nur leider nicht.

Vielen Dank für Eure Hinweise!
frischeDaten

 

[Martin Gut]

Hallo frischeDaten

Unter Effizienz eines Computers würde ich eher die Rechenleistung pro eingesetzter Energie ausrechnen. Beispielsweise für Miner ist das eine übliche Rechnung. Man muss ja wissen, wie hoch die Stromkosten sind um zu beurteilen ob es sich lohnt.

Wie viel Abwärme ein PC erzeugt lässt sich einfach beantworten. Alle eingesetzte Energie wird schlussendlich zu Wärme. Energie kann nicht verloren gehen sondern wird nur umgewandelt.

 

[Casi030]

Einfach ausgedrückt,das was das Netzteil aus der Dose zieht ist Abwärme, fertig.
Aber wie Martin schreibt sagt es nix über die Effizienz aus,das liegt dann an den Komponenten wie schnell sie etwas Berechnen UND wie Effizient der Anwender selber ist.
Eine 50Watt Grafikkarte mit geringen Spieleeinstellungen,Auflösung.....ist deutlich Effizienter als eine 300Watt Grafikkarten wo alles auf Max steht und mit beiden kann man das gleiche Spiel spielen.

 

[hansdampf]

Wirkungsgrad = 0

Denn ein Computer setzt den Strom 1:1 in Wärme um.
Was Du suchst ist die Rechenleistung pro Watt, hat aber nichts mit dem Wirkungsgrad zu tun und ändert sich mit jeder neuer Hardwaregeneration, mehr Rechenleistung pro Watt.

 

[Martin Gut]

Wirkungsgrad = 0

Eine Elektroheizung mit 100 % Wirkungsgrad.

 

[frischeDaten]

Hallo zusammen,

vielen lieben Dank für Eure Antworten Martin, Casi030 und hansdampf!
Sehr praxisnah und hilfreich für praktische Fragestellungen.
Was kostet mich die Stunde Gaming? 100% von dem was ich an Strom rein stecke, klar.
Wieviel Bitcoin bekomme ich pro Euro Stromkosten? Bitcoin/h * h/€, auch klar.

Meine Frage war jedoch viel theoretischer Gedacht. (Ich möchte mit der Erkenntnis keine für mich praktische Entscheidungshilfe gewinnen.)
Meine Motivation ist reine Neugier.

Nehmen wir mal das letzte praktische Beispiel.
Martin hat es schon gut angerissen.

Energie kann nicht verloren gehen sondern wird nur umgewandelt

Darauf will ich hinaus.

Meine Annahmen:
- Die Entropie wird ohne das Verrichten von Arbeit nur größer.
- Cryptowährung (um das praktische Beipiel nicht aus den Augen zu verlieren) zu errechnen, bedeutet Ordnung in ein vorher chaotisches System zu bringen.

Meine Theorie:
- Es muss Arbeit verrichtet werden, zum Beispiel um die Elektronen herumzuschubsen und ihre Energiezustände zu ändern und zu den unnatürlichen Zustand zu halten. (Niederigere Entropie herstellen und aufrecht erhalten)

Ergo: Der Wirkungsgrad kann nicht 0 sein, er kann klein sein, aber nicht 0.

Ich interessiere mich für diesen winzig kleinen Wirkungsgrad.
Frage:
Wieviele netto Wattstunden, oder hier vielleicht besser kEV, gehen in die Berechnung eines Bitcoin, wenn zum Beipiel gut 300 Millionen Watt für die Berechnnug eines Bitcoins in einem PC aufgewendet werden müssen. (berechnet aus mir tatsächlich bekannten praktischen Werten)

Mein persönlicher (theoretischer) Ansatz wären evtl. die IOPS hochzurechnen und dann irgendwie herrauszufinden wie die Prozessoren die Berechnungen tatsächlich herstellen, Elektronen anregen und so, dann herauszufinden welche Zustandübergänge für eine Instruktion nötig sind, das Ganze auch für die Speicher und Lesevorgänge, etc.. Und wenn man dann alle Zustandsübergänge und deren physikalisch notwendigen kEV kennt, kann man sicher herrausfinden, welches die minimale Energie für die Berechnung in einer perfekten Maschine ohne Wärmeverlust wäre.
Aber das ist recht umfangreich.

Daher dachte ich es es wäre evtl. einfacher, das Delta der Wärmeentwicklung einer E-Heizung und eines PCs zu ermitteln, dann hätte man den Wirkungsgrad auch.
Und man hätte gleichzeitig eine Näherung für die minimale Energie für diese Berechnung in einer perfekten Maschine einer tausende Jahre höher entwickelten Zivilisation.

Daher bitte ich Euch nochmal um Eure kollektive Weisheit, wie man am besten solche Werte ermittelt.

Vielen lieben Dank
frischeDaten.

 

[hansdampf]

Ergo: Der Wirkungsgrad kann nicht 0 sein, er kann klein sein, aber nicht 0.

Doch er ist 0, da der Strom 1:1 in Wärme umgewandelt wird. Ein Wirkungsgrad beschreibt ja nur wie effektiv die Energieform umgewandelt wird. Und da die elekromagnetische Energie 1:1 in Wärmeenergie umgewandelt ist, ist bezüglich Rechenkapazität der Wirkungsgrad 0. Da der Wirkungsgrad nur ein Verhältnis beschreibt, kann dieser freilich 0 oder sogar negativ sein.

Wie hoch ist der Wirkungsgrad bezüglich Losbrechmoment? Ich treibe das Getriebe mit z.B. 2 Nm an, aber es dreht sich nicht, wie hoch ist nun der Wirkungsgrad?

Ich treibe das Getriebe mit 3 Nm an, es dreht sich, das Ausgangsdrehmoment ist aber 0 Nm, wie hoch ist nun der Wirkungsgrad?

Wirkungsgrad:
abgeführt / zugeführt

Hat auch überhaupt nichs mit der Entropie zu tun. Wenn der Wirkungsgrad übrigens nicht 0 sein kann, kann auch auch nicht 1 sein. Stimmt natürlich beides nicht. 0 bedeutet eben, das alles in Energieform A und 1 in Energieform B umgewandelt wird.

Daher dachte ich es es wäre evtl. einfacher, das Delta der Wärmeentwicklung einer E-Heizung und eines PCs zu ermitteln, dann hätte man den Wirkungsgrad auch.

Eine herkömmliche E-Heizung ist ein ohmscher Widerstand und wandelt somit den Strom 1:1 in Wärme um. PTC Heizelemente haben zwar einen COP, liegt aber daran begründet, das bezüglich Eigenerwärmung nicht alle Wärmenergie als Nutzenergie verwendet werden kann.
Ein PC, bzw. Halbleiter ist nicht anderes als ein ohmscher Widerstand. Die elektrische Leistung einer CPU wird 1:1 in Wärmeleistung bezüglich des Kühlers umgesetzt, kann man auch genau so messen.

Ohmsches Gesetz:

Ohmsches Gesetz – Wikipedia

de.wikipedia.org

Halbleiter; wie funktioniert eine Diode?

Diode – Wikipedia

de.wikipedia.org

Das hat nichts mit Bitcoins und co. zu tun. Bezüglich Bitcoin kann man nur ein Energiebarf bezüglich Herstellung von Banknoten etc. aufstellen, da wird aber die Kryptowährung verdammt schlecht abschneiden.

 

[frischeDaten]

Danke für Deine schnelle Antwort hansdampf.
Kann ich alles Nachvollziehen. Ich denke auch, dass mit dem negativen Wirkungsgrad unterhalb des Losbrechmoments des beschriebenen Getriebes.

Und da die elekromagnetische Energie 1:1 in Wärmeenergie umgewandelt ist, ist bezüglich Rechenkapazität der Wirkungsgrad 0

Das finde ich besonders spannend, heist das, dass die theoretisch kleinste Energie für irgendeine Rechnung auch gegen Null geht, und damit die Maximale Rechenkraft pro Watt unendlich groß werden kann, wenn wir nur entwickelt genug wären?

Ich kann die Argumentation noch nicht ganz nachvollziehen, dass die elektromagnetische Energie 100% in Wärmeenergie umgewandet wird, obwohl vorher Elektronen einen höheren oder niedrigeren Energiezustand hatten, bevor sie manipuliert wurden. Das hieße ja, die energetischen Zustände wären gleich groß, was sie nicht sind. Daher werde darüber noch etwas grübeln müssen.

 

[hansdampf]

Ich kann die Argumentation noch nicht ganz nachvollziehen, dass die elektromagnetische Energie 100% in Wärmeenergie umgewandet wird, obwohl vorher Elektronen einen höheren oder niedrigeren Energiezustand hatten, bevor sie manipuliert wurden. Das hieße ja, die energetischen Zustände wären gleich groß, was sie nicht sind. Daher werde darüber noch etwas grübeln müssen.

Ohmsches Gesetz. Was soll deiner Meinung nach mit der elektromagnetischen Energie passieren, was passiert innerhalb einer Diode, in was soll denn die elektromagnetische Energie außer Wärmeenergie umgewandelt werden?
Würde ja bedeuten das ohmsche Gesetz wäre falsch?

Hier gilt übrigens der Energieerhaltungssatz.

 

[ShieTar]

Ich kann mir auch einen Testaufbau vorstellen, bei dem man einen gesamten PC zum Beispiel in einer überwachten Kammer etwas rechnen lässt, Spiele, Encoding, Mining.Misst man die gesamte Abwärme bzw. deren Wärmenergie und setzt sie ins Verhältnis zur bereitgestellten elektrischen Energie, sollte man der Sache schon recht nahe kommen, oder?

Ich kann die Argumentation noch nicht ganz nachvollziehen, dass die elektromagnetische Energie 100% in Wärmeenergie umgewandet wird, obwohl vorher Elektronen einen höheren oder niedrigeren Energiezustand hatten, bevor sie manipuliert wurden. Das hieße ja, die energetischen Zustände wären gleich groß, was sie nicht sind. Daher werde darüber noch etwas grübeln müssen.

Die gute Nachricht: Du hast Recht, und alle anderen im Thread haben Unrecht.

Die schlechte Nachricht: Der Unterschied ist völlig belanglos und mit keiner existierenden Messtechnik nachzuweisen.

Ein üblich betriebener Rechner wandelt die elektrische Energie ja tatsächlich in zwei Aspekte um:
1) Thermale Energie / Wärme
2) Reduzierte Entropie durch erzeugen/ordnen von Informationen

Zufallszahlen haben eine Entropy von etwa -2.24*10^-20 J pr Byte bei Raumtemperatur:



(https://en.wikipedia.org/wiki/Entropy#Statistical_mechanics)

Wenn du also mit einer aktuellen Grafikkarte (RTX 3090) und perfekt optimierter Software perfekt geordnete Informationen aus einem rein zufälligen Datenstrom erzeugst, dann reduzierst du die Entropie mit einer Rate von:
35.689 TFlops (Single Precision) * 4*2.24e20 J (4 Byte pro OP) = 3.2 µJ/s = 3.2 µW

Bei 350W Stromverbrauch werden damit die verbleibenden 349.9999968 W in Wärme umgewandelt. Martin hat damit in seiner absolutistischen Aussage weiter oben also frühestens ab der neunten Nachkommastelle gerundet, was für eine Feierabend-Diskussion im Hardware-Forum ja beinahe akzeptabel ist ;-)

Es wird also mindestens noch einige Jahrzehnte dauern bis wir bei Computer-Hardware einen wirklich messbaren Unterschied zwischen Stromverbrauch und Abwärme feststellen können. Vor allem da die meiste Software ja auch nicht zum Ordnen von Zufallszahlen genutzt wird, sondern mit ohnehin schon geordneten Eingangdaten arbeitet, da ist der Entropy-Unterschied also nochmal deutlich reduziert. Die Formel Stromverbrauch=Abwärme ist also bis auf weitere problemlos gültig, und die Effizienz deines PCs ist damit weiterhin im Schnitt 100% als Heizkörper, 0% für alle anderen Zwecke.

Es sei denn du schließt einen Fischertechnik-Bagger an den USB-Anschluß an und gräbst damit Löcher, dann kannst du vermutlich auch 0.1% in mechanische Energie umwandeln.

 

[frischeDaten]

Hi ShieTar, vielen Dank für deine Erklärung anhand der Entropie!
Ich dachte mir schon, dass es im nicht messbaren Bereich liegen müsste.
Jetzt, da ich weiß wie sehr ineffizient unsere Computer wirklich sind, bin ich fasziniert vom steilen Ausblick auf die möglichen Effizienzsteigerungen für die Zukunft.
Immerhin können wir noch über 100 Milliarden effizienter werden.

ich hab das ganze mal mittels Moore’s Law hochgerechnet.
Im Juli 2074 ist es dann soweit, 100% Effizienz.
Quatsch beiseite, ich glaube nicht, dass wir in gut 50 Jahren dort sind. Das Mooresche Gesetz, wird hier in weiteren Grenzbereichen noch Federn lassen müssen.

 

[ShieTar]

Ich hab mal die Skalierung der Fertigungs-Technik nach Moore's Law gegengerechnet, und demzufolge haben wir bis 2073 eine Fertigung in 37 Femtometer-Technologie, also 2600 Transistoren pro Atom.

...

Könnte knapp werden.

 

[frischeDaten]

Ich hab mal die Skalierung der Fertigungs-Technik nach Moore's Law gegengerechnet, und demzufolge haben wir bis 2073 eine Fertigung in 37 Femtometer-Technologie, also 2600 Transistoren pro Atom.

...

Könnte knapp werden.

das glaube ich dir gern.

Atomkern – Wikipedia

de.wikipedia.org

10fm ist so ein Atomkern groß

Atomhülle – Wikipedia

de.m.wikipedia.org

Und 100.000fm ist der Durchmesser der Elektronenhülle. Da gehört schon was dazu, wenn wir Atomkern-Größe Transistoren herstellen. Wird wahrscheinlich eher eine andere Revolution in der Technik herhalten müssen, die jetzt noch gänzlich unbekannt ist.

 

[ArthurUnaBrau]

Die gute Nachricht: Du hast Recht, und alle anderen im Thread haben Unrecht.

Die schlechte Nachricht: Der Unterschied ist völlig belanglos und mit keiner existierenden Messtechnik nachzuweisen.

Ein üblich betriebener Rechner wandelt die elektrische Energie ja tatsächlich in zwei Aspekte um:
1) Thermale Energie / Wärme
2) Reduzierte Entropie durch erzeugen/ordnen von Informationen

Zufallszahlen haben eine Entropy von etwa -2.24*10^-20 J pr Byte bei Raumtemperatur:

Anhang anzeigen 11272

(https://en.wikipedia.org/wiki/Entropy#Statistical_mechanics)

Wenn du also mit einer aktuellen Grafikkarte (RTX 3090) und perfekt optimierter Software perfekt geordnete Informationen aus einem rein zufälligen Datenstrom erzeugst, dann reduzierst du die Entropie mit einer Rate von:
35.689 TFlops (Single Precision) * 4*2.24e20 J (4 Byte pro OP) = 3.2 µJ/s = 3.2 µW

Bei 350W Stromverbrauch werden damit die verbleibenden 349.9999968 W in Wärme umgewandelt. Martin hat damit in seiner absolutistischen Aussage weiter oben also frühestens ab der neunten Nachkommastelle gerundet, was für eine Feierabend-Diskussion im Hardware-Forum ja beinahe akzeptabel ist ;-)

Es wird also mindestens noch einige Jahrzehnte dauern bis wir bei Computer-Hardware einen wirklich messbaren Unterschied zwischen Stromverbrauch und Abwärme feststellen können. Vor allem da die meiste Software ja auch nicht zum Ordnen von Zufallszahlen genutzt wird, sondern mit ohnehin schon geordneten Eingangdaten arbeitet, da ist der Entropy-Unterschied also nochmal deutlich reduziert. Die Formel Stromverbrauch=Abwärme ist also bis auf weitere problemlos gültig, und die Effizienz deines PCs ist damit weiterhin im Schnitt 100% als Heizkörper, 0% für alle anderen Zwecke.

Es sei denn du schließt einen Fischertechnik-Bagger an den USB-Anschluß an und gräbst damit Löcher, dann kannst du vermutlich auch 0.1% in mechanische Energie umwandeln.

Klarer Fall von "superconductors WHEN?".

Supraleiter, die im Rechner keine Wärme abgeben würden, wären dann ja ein enormer Effizienzgewinn, wenn wir sie in den Rechner reinbekämen.

 

[hansdampf]

Man sollte auch nicht vergessen, das es sich nur um eine Theorie handelt, sowie die dunkle Energie und co. Von daher glaube ich nicht das sich jemals was ändern wird. Dazu müssten die Halbleiter schon supraleitend werden.

 

[ShieTar]

Klarer Fall von "superconductors WHEN?".

Supraleiter, die im Rechner keine Wärme abgeben würden, wären dann ja ein enormer Effizienzgewinn, wenn wir sie in den Rechner reinbekämen.

Die Leitungsverluste im Kupfer sind heutzutage nichtmal mehr die Hauptursache der Wärmeverluste, in erster Linie sind es die Leckströme aufgrunde des Quantentunnel-Effekts in den winzigen Halbleiterelementen.

 

[Deridex]

Sehe ich ähnlich:
Der größte Teil der Verlustleistung dürfte aus meiner Sicht innerhalb der ICs oder der anderen Bauteile(Spulen, Transistoren usw.) entstehen

 

[ArthurUnaBrau]

Man sollte auch nicht vergessen, das es sich nur um eine Theorie handelt, sowie die dunkle Energie und co. Von daher glaube ich nicht das sich jemals was ändern wird. Dazu müssten die Halbleiter schon supraleitend werden.

Physikalische Theorien sind praktisch Fakten. Gravitation ist eine Theorie in der Physik ;-)

Die Leitungsverluste im Kupfer sind heutzutage nichtmal mehr die Hauptursache der Wärmeverluste, in erster Linie sind es die Leckströme aufgrunde des Quantentunnel-Effekts in den winzigen Halbleiterelementen.

Ah interessant. Das heißt selbst Supraleiter können hier zunächst mal nichts ausrichten?

 

[Martin Gut]

Physikalische Theorien sind praktisch Fakten. Gravitation ist eine Theorie in der Physik ;-)

Man redet in der Wissenschaft immer von einer Theorie. Wie weit etwas mit der Zeit belegt, bewiesen oder wiederlegt wurde oder ob es weiter umstritten und unbelegt ist, ändert nichts an der Bezeichnung Theorie. Die wissenschaftliche Bezeichnung "Theorie" sagt nicht aus, ob etwas bewiesen ist oder nicht. In der Alltagssprache wird der Begriff Theorie dagegen als Bezeichnung für noch nicht bewiesene Sachverhalte verwendet.

Ah interessant. Das heißt selbst Supraleiter können hier zunächst mal nichts ausrichten?

Wie oft setzen die Leute hier zu viel Hoffnung in die zukünftige technische Entwicklung ohne dass sie eine Ahnung haben wovon sie reden. Wenn man sich in einem technischen Bereich auskennt, kann man die erreichbaren Entwicklungen der nächsten Jahrzehnte grob abschätzen. Bei Themen, die noch wenig erforscht sind, sind oft grosse Fortschritte möglich. Techniken die bereits weit ausgearbeitet sind erlauben dagegen nur noch kleine Verbesserungen. Eigentlich sollte auch klar sein, dass sich die Physik nicht ändert. Es gibt Grenzen, die sich mit alles Forschung und Technik nie werden verschieben lassen.

Supraleiter die für elektronische Schaltungen geeignet sein könnten, müssen auf unter 30 Grad Kelvin gekühlt werden, damit sie supraleitend sind. Das macht man üblicherweise mit flüssigem Helium.

Supraleiter – Wikipedia

de.wikipedia.org

Das schliesst Supraleiter für normale Hausanwendungen aus. Der Aufwand für die Kühlung übersteigt die Kosten eines PC um ein vielfaches und auch der Energieaufwand ist viel grösser. Man kann damit also weder Energie noch Kosten sparen.

Supraleiter bleiben weiterhin ein interessantes Forschungsfeld. Eine Anwendung im Alltag ist aber kaum zu erwarten. Die Physik ändert sich nicht einfach so.

 

[hansdampf]

Physikalische Theorien sind praktisch Fakten. Gravitation ist eine Theorie in der Physik ;-)

Nein sind sie nicht, dann würde ja z.B. die Stringtheorie ebenfalls zu den Fakten zählen, tut diese aber nicht.

Es gibt bewiesene Theorien wie z.B.

- Gravitation (Newton) / (Relativitätstheorie)
- Relativitätstheorie, indirekt über viele Indizien bewiesen
- Gravitationswellen, es kürzlich über eine Messung bewiesen
- Higgs-Feld

usw.

Es gibt aber genauso widerlegte Theorien oder noch nicht bewiesene Theorien wie

- Stringtheorie
- dunkle Energie, nachgewiesen ist nur die beschleunigte Expansion
- dunkle Materie, nachgewiesen ist nur die Massendiskrepanz

Und dazu zählt auch die "Neumann" Theorie, die besagt das sich durch ordnen von Zahlen oder Bit und Bytes die Entropie ändert und da durch Energie benötigt wird. Das wurde aber bis jetzt noch über keine Messungen bestätigt. Und wenn man sich mal die Genauigkeit der Gravitationswellenmessung mit 5* 10^-22 Meter anschaut, dann sollten sich 3,2 µW, also gerade mal Mikro-Watt oder 3,2 * 10^-6 Watt messen lassen:

35.689 TFlops (Single Precision) * 4*2.24e20 J (4 Byte pro OP) = 3.2 µJ/s = 3.2 µW

Zum mal man die Temperatur mit 3 * 10^-11 genau messen kann, da wäre es in einer speziell abgeschirmten Messkammer kein Problem diese Mirkowatt über eine Temperaturdifferenz zu messen.


Somit bleibt das weiterhin eine unbewiesene Theorie und der PC ist nichts anderes als eine Heizung und alle anderen haben eben nicht Unrecht, es ist nur eine Theorie.