Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами

Звучит странно? Если компьютеры всего-навсего гоняют числа туда-сюда, то почему они так разогреваются? Ответ – в законах термодинамики. Электропитание ноутбука обычно осуществляется напряжением 20 вольт и силой тока 5 ампер. Следовательно, ежесекундно в него поступает около 100 Дж в виде электрической энергии (мощность электрического устройства – напряжение, умноженное на силу тока). Первый закон термодинамики гласит, что вся поступающая в компьютер энергия должна куда-то расходоваться. В случае с ноутбуком, за исключением той ее части, которая заставляет светиться экран и работать динамики, почти вся энергия превращается в тепло. Если почти 100 Дж энергии выходят из компьютера в виде тепла, то это достаточно много – столько же, сколько тепла дает удивительно неэффективная в смысле потребления электроэнергии 100-ваттная лампа накаливания. Именно поэтому компьютер нагревается, и именно поэтому вашим коленям становится жарко, если на них расположился ваш ноутбук.

Откуда берется это тепло? В большинстве своем – от столкновений электронов в цепях компьютера. Эти электроны ведут себя как люди на улице в часы пик. Энергия создается за счет сопротивления электрической цепи. Каждый ее сегмент работает как маленький элемент в лампе накаливания, нагревая небольшую поверхность. Современные компьютеры состоят из миллионов микроскопических деталей (транзисторов), размещенных на небольших интегральных схемах размером с марку. Тепловой энергии нелегко покинуть это запутанное пространство[226].

Компьютеры грелись всегда и будут греться. Классическая вычислительная машина Harvard Mark I, частично электрическая, частично механическая, созданная в 1940-х, имела 800 км проводов, каждый сантиметр которых генерировал тепловую энергию. Как мы видели в главе 12, гораздо более сложная ЭВМ ENIAC, первый настоящий электронный компьютер, потреблял столько же электроэнергии, как 60 тостеров. Знаменитый стационарный суперкомпьютер Cray-1[227], созданный на рубеже 1980-х, имел такую плотную схему компоновки, что нуждался в собственном «холодильнике», с помощью которого специальная охлаждающая жидкость (Fluorinert) обращалась по замкнутому контуру внутри корпуса, предотвращая перегрев.

Блогеры любят нахваливать современные компьютеры, утверждая, что те экологически чистые и малоэнергоемкие. iPhonе и планшеты потребляют очень мало электроэнергии и состоят из значительно меньшего числа деталей[228]. Но это не вся правда. Во-первых, компьютерных устройств разных типов сейчас намного больше, чем раньше. Когда-то существовал только ENIAC, а сейчас только корпорация Apple уже выпустила более полумиллиарда штук только iPhone[229]. Во-вторых, мобильные электронные устройства сейчас в основном работают на принципе «облачных вычислений» (ваши данные хранятся и обрабатываются в гигантских серверных центрах, которые расположены по всему миру) и поддерживаются гигантскими поисковыми системами вроде Amazon, Apple, Facebook, Google, IBM и Yahoo!. Согласно исследованиям организации «Гринпис», энергопотребление системы «облачных вычислений» в период с 2005 до 2010 года возросло на 58 %. Если бы эта система была страной, она заняла бы пятое место в мире по потреблению электроэнергии. Некоторые компании, работающие в этой системе, и заявили о своей приверженности использованию возобновляемых источников энергии, но половина из них по-прежнему получают ее от сжигания угля, самого грязного топлива на планете[230].

Несомненно, сегодняшние компьютеры лучше, чем вчерашние, и они с каждым днем становятся всё совершеннее. Переход от старомодного настольного компьютера к современному ноутбуку сокращает расходы энергии на 50–80 %[231]. Однако нам не с чем себя поздравлять. Мы не можем отменить действие первого закона термодинамики: энергия должна откуда-то появляться. Если сейчас всё больше людей используют всё больше компьютеров, чтобы достигать всё больших результатов, то когда-нибудь, где-нибудь и кому-нибудь придется заплатить за это соответствующую цену.

Глава 14. Километры еды

Из этой главы вы узнаете…

Сколько нужно «поклевать» сыра, чтобы сыграть партию в гольф.

Сможете ли вы пойти на работу, съев только одно яйцо.

Почему не занятый человек растрачивает больше энергии, чем электрическая лампочка.