¿Las computadoras se aceleran a temperaturas más altas?

Vamos a dividir sus preguntas en sub-preguntas:

Computadora más rápida:

La medida más común de la "velocidad" de una computadora es su frecuencia de reloj máxima. Esta medida nunca ha sido precisa ( mito de los megahercios ), pero dejó de tener importancia en los últimos años después de que los procesadores multinúcleo se convirtieran en un estándar. En las computadoras de hoy en día, el máximo rendimiento está determinado por factores mucho más complejos que solo la frecuencia de reloj máxima (estos factores incluyen aspectos tanto de hardware como de software).

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 de la computadora se deriva (por lo general) 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 hayan diseñado 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 una cantidad apreciable), pero puede provocar 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 en la frecuencia predefinida del reloj. Sin embargo, ¿tal vez una temperatura más alta permita emplear frecuencias más altas?

En primer lugar, debe comprender que las computadoras modernas no tienen sus velocidades de reloj 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 definida 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 (utilizando 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 que el overclocking más abusivo de los procesadores se realiza mientras el procesador está sobreenfriado.

Portadores excitados térmicamente en silicio:

Creo que la idea de que la resistividad del silicio se reduce con la temperatura lo llevó a conclusiones equivocadas. No es el caso.

Si bien la tasa de generación térmica aumenta con la temperatura, el silicio intrínseco no tiene mucho uso. El hecho de que la mayor parte del silicio utilizado en la industria esté dopado significa que los portadores térmicamente excitados constituyen una fracción insignificante de los portadores libres del silicio; por lo tanto, incluso un gran aumento en las tasas de excitación térmica no afectará apreciablemente la densidad de los portadores libres. Consulte esta calculadora e intente encontrar a qué temperaturas la densidad de los portadores generados térmicamente se aproxima a las concentraciones habituales de dopaje ($\geq 10^{16}cm^{-3}$) - su procesador se quemará mucho antes de que la generación térmica afecte la conductividad del silicio.

Además, la movilidad de los transportadores 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 22 nm de Intel (no encontré referencias para este nuevo proceso en la web), y ciertamente cambiará a medida que las tecnologías de proceso continúen reduciéndose.

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 excitación y de la carga del propio inversor, el retardo se calcula cuando se conectan pocos inversores en un circuito cerrado formando un oscilador en anillo .

Si el retardo de propagación aumenta con la temperatura (lógica más lenta), se dice que el dispositivo opera en Régimen de Dependencia de Temperatura Normal. Sin embargo, dependiendo de las condiciones de operación del dispositivo, el retardo de propagación puede disminuir con la temperatura (lógica más rápida), en cuyo caso se dice que el dispositivo opera en Régimen de Dependencia de Temperatura Inversa.

Incluso la descripción general más básica de los factores involucrados en la transición de los regímenes de temperatura normal a inverso está más allá del alcance de una respuesta general y requiere un conocimiento bastante profundo de la física de los 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 inversa de la temperatura no debe observarse en las tecnologías empleadas actualmente (excepto, tal vez, para finFET de 22 nm, para el cual no encontré datos).

El tipo principal de elemento de conmutación en las computadoras típicas es el transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico. 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 bueno (por ejemplo, mejora la capacidad de compartir la carga de los MOSFET de potencia), también significa que las funciones lógicas implementadas con 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 deben cambiar en un ciclo determinado lo hagan antes de que llegue el próximo ciclo, las computadoras generalmente no pueden funcionar tan rápido a altas temperaturas como lo hacen a bajas temperaturas.

Además, la cantidad de calor generado por una computadora que usa lógica MOSFET complementaria es en gran medida proporcional a la velocidad real a la que está funcionando. Para evitar daños por sobrecalentamiento, varios procesadores tienen circuitos que los ralentizarán automáticamente si las temperaturas superan un determinado umbral. Por supuesto, esto reducirá severamente 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.

La respuesta es no.

Principalmente porque una computadora es un circuito cronometrado. Si la CPU, o toda la computadora, está a una temperatura más alta, el circuito del reloj no funcionará más rápido. Por 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 de reloj máxima que admitiría su CPU.

Las computadoras funcionan tan rápido como las cronometras. 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.

Hacer funcionar una computadora utiliza energía eléctrica, que se disipa en la computadora en forma de 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 controlarla para evitar llegar al punto crítico en el que ya no pueda funcionar y posiblemente se dañe de forma permanente.

Es por eso que las computadoras de alto rendimiento tienen sensores de temperatura. Un circuito externo cronometra 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 de cómputo porque el circuito de gestión térmica ralentizará la velocidad de la computadora, 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 un competidor, ejecutando el mismo programa a la misma velocidad. Luego quitaron los disipadores de calor de ambos procesadores. El que tiene el circuito de gestión térmica interna se ralentizó. El otro siguió funcionando durante un tiempo, luego se detuvo por completo cuando se sobrecalentó.