¿Las computadoras se aceleran a temperaturas más altas?

A temperaturas más altas, ¿las computadoras serán más rápidas? Evidentemente, uno siempre quiere enfriar una computadora, ya que las temperaturas más altas pueden dañar los componentes centrales.

Sin embargo, ¿es una interacción entre el silicio, que a temperaturas más altas liberará más electrones y la resistencia de los componentes metálicos aumentará a medida que aumenta la temperatura? ¿O es esto insignificante en términos de rendimiento general de la computadora?

Vamos a dividir sus preguntas en subpreguntas:

Computadora más rápida:

La medida más común de la "velocidad" de la computadora es su frecuencia máxima de reloj. Esta medida nunca ha sido precisa ( mito de Megahertz ), pero dejó de ser importante en los últimos años después de que los procesadores multi-core se convirtieran en un estándar. En las computadoras de hoy, el rendimiento superior está determinado por factores mucho más complejos que solo la frecuencia de reloj máxima (estos factores incluyen aspectos HW y SW).

Efecto de la temperatura en la frecuencia del reloj:

Dicho esto, todavía queremos ver cómo la temperatura afecta la frecuencia de reloj de la computadora. Bueno, la respuesta es que no lo afecta de manera apreciable. El reloj para la computadora (generalmente) se deriva de un oscilador de cristal, que no se calienta en absoluto. Esto significa que la frecuencia del oscilador es independiente de la temperatura. La señal producida por el oscilador se multiplica en frecuencia por PLL. La frecuencia de salida de los PLL no se verá afectada por la temperatura (suponiendo que se diseñaron correctamente), pero el nivel de ruido en la señal de reloj de los PLL aumentará con la temperatura.

La discusión anterior lleva a la siguiente conclusión: el aumento de la temperatura no aumentará la frecuencia del reloj (en ninguna cantidad apreciable), pero puede conducir a una falla lógica debido al aumento del ruido en la señal del reloj.

Efecto de la temperatura en la frecuencia máxima del reloj:

La temperatura no tiene ningún efecto sobre la frecuencia predefinida del reloj. Sin embargo, ¿tal vez una temperatura más alta permite emplear frecuencias más altas?

En primer lugar, debe comprender que las computadoras modernas no tienen sus velocidades de reloj llevadas al límite de la tecnología. Esta pregunta ya se ha hecho aquí .

Lo anterior significa que puede aumentar la frecuencia de su CPU por encima de la que se definió por defecto. Sin embargo, resulta que en este caso la temperatura es el factor limitante, no un beneficio. Dos razones para esto:

• La resistencia de los cables aumenta con la temperatura.
• Las tasas de electromigración aumentan con la temperatura.

El primer factor conduce a una mayor probabilidad de falla lógica a altas temperaturas (se utilizan valores lógicos incorrectos). El segundo factor conduce a una mayor probabilidad de falla física a altas temperaturas (como daño permanente a un cable conductor).

Por lo tanto, la temperatura es el factor limitante de la frecuencia máxima de los procesadores. Es la razón por la cual se realiza el overclocking más abusivo de los procesadores mientras el procesador está súper enfriado.

Vehículos excitados térmicamente en silicio:

Creo que usted fue llevado a conclusiones erróneas al pensar que la resistividad del silicio se reduce con la temperatura. No es el caso.

$\geq 10^{16}cm^{-3}$

Además, la movilidad de los transportistas libres tiende a disminuir con la temperatura; por lo tanto, en lugar del aumento en la conductividad del silicio, probablemente observará una disminución que conducirá a una mayor probabilidad de falla lógica.

Conclusión:

La temperatura es el principal factor limitante de la velocidad de las computadoras.

Las temperaturas más altas de los procesadores también conducen a tasas más altas de calentamiento global, lo cual es muy malo.

Temas avanzados para lectores interesados:

Las respuestas anteriores, que yo sepa, son completamente correctas para tecnologías de hasta 32 nm. Sin embargo, la imagen puede ser diferente para la tecnología finFET de 22nm de Intel (no encontré referencias para este proceso más nuevo en la web), y ciertamente cambiará a medida que las tecnologías de proceso continúen disminuyendo.

El enfoque habitual para comparar la "velocidad" de los transistores implementados utilizando diferentes tecnologías es caracterizar el retraso de propagación del inversor de tamaño mínimo. Dado que este parámetro depende del circuito de activación y de la carga del inversor, el retraso se calcula cuando pocos inversores están conectados en un circuito cerrado que forma un oscilador en anillo .

Si el retraso de propagación aumenta con la temperatura (lógica más lenta), se dice que el dispositivo funciona en régimen de dependencia de temperatura normal. Sin embargo, dependiendo de las condiciones de funcionamiento del dispositivo, el retraso de propagación puede disminuir con la temperatura (lógica más rápida), en cuyo caso se dice que el dispositivo funciona en régimen de dependencia de temperatura inversa.

Incluso la descripción más básica de los factores involucrados en la transición de los regímenes de temperatura normal a inversa está más allá del alcance de una respuesta general y requiere un conocimiento bastante profundo de la física de semiconductores. Este artículo es el resumen más simple pero completo de estos factores.

La conclusión del artículo anterior (y otras referencias que encontré en la web) es que la dependencia de la temperatura inversa no debería observarse en las tecnologías actualmente empleadas (excepto, tal vez, para finFET de 22 nm, para el que no encontré datos).

La respuesta es no.

Principalmente porque una computadora es un circuito con reloj. Si la CPU, o toda la computadora, está a una temperatura más alta, el circuito del reloj no funcionará más rápido. Por lo tanto, el número de MIPS o FLOPS es el mismo, independientemente de la temperatura.

Pero , como se ve en los comentarios de sus preguntas, la temperatura podría tener un efecto en la velocidad máxima de reloj que admitiría su CPU.

Las computadoras funcionan tan rápido como las registras. Por lo tanto, calentar una computadora sin hacer nada diferente no afectará la potencia computacional hasta que se caliente tanto que se dañe y la potencia computacional llegue a 0.

El funcionamiento de una computadora utiliza energía eléctrica, que se disipa en la computadora como calor. La cantidad de energía eléctrica utilizada es en parte proporcional a la velocidad del reloj. Esto significa que cuanto más caliente esté la computadora, más lento tendrá que cronometrarla para evitar alcanzar el punto crítico en el que ya no puede funcionar y posiblemente se dañe permanentemente.

Es por eso que las computadoras de alto rendimiento tienen sensores de temperatura. Un circuito externo registra la computadora lo más rápido posible, pero sin exceder su temperatura máxima de funcionamiento. Por lo tanto, calentar una de estas unidades disminuye la potencia computacional porque el circuito de administración térmica registrará la computadora más lentamente, ya que se permite menos energía eléctrica antes de que alcance su temperatura máxima de funcionamiento.

Recuerdo haber visto un comercial de Intel sobre esto. Estaban mostrando que su procesador tenía este sensor de temperatura y circuito de ajuste de reloj incorporado. Mostraron dos computadoras, una con su chip y otra con la de un competidor, ejecutando el mismo programa a la misma velocidad. Luego quitaron los disipadores de calor de ambos procesadores. El que tiene el circuito interno de gestión térmica se ralentizó. El otro continuó durante un tiempo, luego se retiró por completo cuando se sobrecalentó.

El tipo principal de elemento de conmutación en las computadoras típicas es el transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal. Dichos dispositivos son menos efectivos para pasar corriente cuando están calientes que cuando están fríos. Si bien hay algunas situaciones en las que dicho comportamiento puede ser algo bueno (por ejemplo, mejora la capacidad de compartir la carga de los MOSFET de potencia), también significa que las funciones lógicas implementadas con los MOSFET tardarán más en cambiar a temperaturas más altas. Dado que el funcionamiento confiable de una computadora requiere que todos los circuitos que se supone que cambien en un ciclo dado logren hacerlo antes de que llegue el siguiente ciclo, las computadoras generalmente no pueden funcionar tan rápido a altas temperaturas como pueden hacerlo a bajas temperaturas.

Además, la cantidad de calor generado por una computadora que utiliza la lógica MOSFET complementaria es en gran medida proporcional a la velocidad real a la que se ejecuta. Para evitar daños por sobrecalentamiento, varios procesadores tienen circuitos que los ralentizarán automáticamente si las temperaturas exceden un cierto umbral. Por supuesto, esto reducirá drásticamente el rendimiento de la aplicación, pero hacer que una aplicación se ralentice puede ser mejor que hacer que el procesador deje de funcionar por completo, ya sea de forma temporal o permanente.