I computer accelerano a temperature più elevate?

A temperature più elevate, i computer diventeranno più veloci? Evidentemente, si vuole sempre raffreddare un computer poiché temperature più elevate possono danneggiare i componenti principali.

Tuttavia, si tratta di un'interazione tra silicio, che a temperature più elevate rilascerà più elettroni e la resistenza dei componenti metallici che aumenterà con l'aumentare della temperatura? O è trascurabile in termini di prestazioni complessive del computer?

Consente di suddividere le domande in sotto-domande:

Computer più veloce:

La misura più comune della "velocità" del computer è la sua massima frequenza di clock. Questa misura non è mai stata accurata ( mito di Megahertz ), ma è diventata del tutto irrilevante negli ultimi anni dopo che i processori multi-core sono diventati uno standard. Nei computer di oggi, le prestazioni massime sono determinate da fattori molto più complessi della sola frequenza di clock massima (questi fattori includono aspetti sia HW che SW).

Effetto della temperatura sulla frequenza di clock:

Detto questo, vogliamo ancora vedere come una temperatura influisce sulla frequenza di clock del computer. Bene, la risposta è che non lo influenza in alcun modo apprezzabile. L'orologio per il computer è (solitamente) derivato da un oscillatore a cristallo, che non si riscalda affatto. Ciò significa che la frequenza dell'oscillatore è indipendente dalla temperatura. Il segnale prodotto dall'oscillatore viene moltiplicato in frequenza per i PLL. La frequenza di uscita dei PLL non sarà influenzata dalla temperatura (supponendo che siano stati progettati correttamente), ma il livello di rumore nel segnale di clock dei PLL aumenterà con la temperatura.

La discussione di cui sopra porta alla seguente conclusione: l'aumento della temperatura non aumenterà la frequenza dell'orologio (di una quantità apprezzabile), ma può portare a un errore logico dovuto all'aumento del rumore nel segnale dell'orologio.

Effetto della temperatura sulla massima frequenza di clock:

La temperatura non ha alcun effetto sulla frequenza predefinita dell'orologio. Tuttavia, forse una temperatura più alta consente di utilizzare frequenze più elevate?

Prima di tutto devi capire che i computer moderni non hanno le loro frequenze di clock spinte al limite della tecnologia. Questa domanda è già stata posta qui .

Quanto sopra significa che è possibile aumentare la frequenza della propria CPU oltre quella definita per impostazione predefinita. Tuttavia, si scopre che in questo caso la temperatura è il fattore limitante, non un vantaggio. Due motivi per questo:

• La resistenza dei fili aumenta con la temperatura
• I tassi di elettromigrazione aumentano con la temperatura

Il primo fattore porta a una maggiore probabilità di errore logico alle alte temperature (vengono utilizzati valori logici errati). Il secondo fattore porta ad una maggiore probabilità di guasto fisico ad alte temperature (come danni permanenti a un filo conduttivo).

Pertanto, la temperatura è il fattore limitante della frequenza massima dei processori. È il motivo per cui l'overclocking più abusivo dei processori viene eseguito mentre il processore è super raffreddato.

Supporti termicamente eccitati in silicone:

Credo che tu abbia portato a conclusioni errate dal pensiero che la resistività del silicio si riduce con la temperatura. Non è il caso.

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

Inoltre, la mobilità dei vettori liberi tende a diminuire con la temperatura; pertanto, invece dell'aumento della conduttività del silicio, probabilmente si osserverà una diminuzione che porterà a una maggiore probabilità di fallimento logico.

Conclusione:

La temperatura è il principale fattore limitante della velocità dei computer.

Le temperature più elevate dei processori portano anche a tassi più elevati di riscaldamento globale, il che è molto negativo.

Argomenti avanzati per lettori interessati:

Le risposte sopra, per quanto ne so, sono completamente corrette per tecnologie fino a 32 nm. Tuttavia, l'immagine potrebbe essere diversa per la tecnologia Intel finFET a 22 nm (non ho trovato riferimenti per questo nuovo processo sul Web) e cambierà sicuramente man mano che le tecnologie di processo continuano a ridursi.

L'approccio usuale per confrontare la "velocità" dei transistor implementati utilizzando tecnologie diverse è quello di caratterizzare il ritardo di propagazione dell'inverter di dimensioni minime. Poiché questo parametro dipende dal circuito di pilotaggio e dal carico dell'inverter stesso, il ritardo viene calcolato quando pochi inverter sono collegati in un circuito chiuso formando un oscillatore ad anello .

Se il ritardo di propagazione aumenta con la temperatura (logica più lenta), si dice che il dispositivo funzioni in regime di dipendenza dalla temperatura normale. Tuttavia, a seconda delle condizioni operative del dispositivo, il ritardo di propagazione può diminuire con la temperatura (logica più veloce), nel qual caso si dice che il dispositivo funzioni in regime di dipendenza dalla temperatura inversa.

Anche la panoramica più basilare dei fattori coinvolti nella transizione dai regimi di temperatura normali a quelli inversi va oltre lo scopo di una risposta generale e richiede una conoscenza abbastanza approfondita della fisica dei semiconduttori. Questo articolo è la panoramica più semplice ma completa di questi fattori.

La linea di fondo dell'articolo sopra (e altri riferimenti che ho trovato sul web) è che la dipendenza dalla temperatura inversa non dovrebbe essere osservata nelle tecnologie attualmente utilizzate (tranne, forse, per il finFET a 22 nm, per il quale non ho trovato dati).

La risposta è no.

Principalmente perché un computer è un circuito con clock. Se la CPU, o l'intero computer, ha una temperatura più elevata, il circuito di clock non funzionerebbe più velocemente. Quindi il numero di MIPS o FLOPS è lo stesso, indipendentemente dalla temperatura.

Ma , come visto nei commenti alle tue domande, la temperatura potrebbe avere un effetto sulla frequenza di clock massima supportata dalla tua CPU.

I computer funzionano velocemente come li cronometri. Pertanto, il riscaldamento di un computer senza fare nient'altro di diverso non influirà sulla potenza di calcolo fino a quando non viene riscaldato fino a quando non viene danneggiato e la potenza di calcolo passa a 0.

L'esecuzione di un computer utilizza energia elettrica, che viene dissipata nel computer come calore. La quantità di energia elettrica utilizzata è in parte proporzionale alla velocità di clock. Ciò significa che più caldo è il computer, più lento è il clock per evitare di raggiungere il punto critico in cui non può più funzionare e può essere danneggiato in modo permanente.

Ecco perché i comuputer ad alte prestazioni dispongono di sensori di temperatura. Un circuito esterno esegue il clock del computer il più velocemente possibile, ma per non superare la sua massima temperatura operativa. Pertanto il riscaldamento di una di queste unità riduce la potenza computazionale poiché il circuito di gestione termica farà rallentare il computer poiché è consentita meno energia elettrica prima che raggiunga la sua massima temperatura operativa.

Ricordo di aver visto una pubblicità di Intel a riguardo. Stavano mostrando che il loro processore aveva questo circuito di rilevamento della temperatura e di regolazione dell'orologio integrato. Hanno mostrato due computer, uno con il loro chip e uno con un concorrente, che eseguono lo stesso programma alla stessa velocità. Quindi hanno rimosso i dissipatori di calore da entrambi i processori. Quello con il circuito interno di gestione termica ha rallentato. L'altro continuò ad andare avanti per un po ', poi uscì completamente quando si surriscaldò.

Il tipo principale di elemento di commutazione nei computer tipici è il transistor ad effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo. Tali dispositivi sono meno efficaci nel far passare la corrente a caldo che a freddo. Mentre ci sono alcune situazioni in cui tale comportamento può essere positivo (ad esempio migliora la capacità di condivisione del carico dei MOSFET di potenza), ciò significa anche che le funzioni logiche implementate con i MOSFET impiegheranno più tempo a passare a temperature più elevate. Poiché il funzionamento affidabile di un computer richiede che tutti i circuiti che dovrebbero passare in un determinato ciclo riescano a farlo prima dell'arrivo del ciclo successivo, i computer in genere non possono funzionare più velocemente alle alte temperature che possono a basse temperature.

Inoltre, la quantità di calore generato da un computer utilizzando la logica MOSFET complementare è in gran parte proporzionale alla velocità effettiva alla quale sta funzionando. Per evitare danni da surriscaldamento, un certo numero di processori dispone di circuiti che li rallentano automaticamente se le temperature superano una determinata soglia. Ciò ovviamente ridurrà drasticamente le prestazioni dell'applicazione, ma avere un'applicazione che rallenta potrebbe essere meglio che far cessare completamente il funzionamento del processore temporaneamente o permanentemente.