¿Por qué el aumento de voltaje aumenta el rendimiento del procesador?

Una CPU es, en esencia, una secuencia extremadamente grande de FET que se impulsan entre sí en combinaciones complejas. Estos FET tienen una gran cantidad de estados posibles, de los cuales solo algunos son válidos. En cada ciclo de reloj, el procesador debe pasar de un estado válido al estado válido siguiente correcto. Los FET están dispuestos de tal manera que comienzan a cambiar de un estado al siguiente solo en el borde del reloj. Pero si un FET impulsa a otro, eso significa que el FET de activación debe completar su transición antes de que el FET de carga pueda siquiera comenzar.

Este es el retraso de propagación, y la cadena más larga de retrasos de propagación en el sistema determina su frecuencia de reloj máxima. Debe asegurarse de que para cuando llegue el siguiente borde del reloj, todos los FET en todas partes hayan completado las transiciones que van a ocurrir. De lo contrario, terminará con su chip en un estado inválido o incorrecto, y todas las apuestas por el funcionamiento correcto se cancelarán.

Entonces, el período de reloj mínimo (y, por lo tanto, la frecuencia máxima) es una función de la ruta de propagación más larga en el chip y de cuánto tardan los transistores individuales en esa ruta en cambiar. No puede cambiar la ruta de propagación una vez que se graba el dado, pero puede cambiar el tiempo que tarda un transistor en cambiar. Al igual que con cualquier FET, el tiempo de conmutación se ve afectado directamente por el tiempo que tarda en cargarse la capacitancia de la puerta. Dado que la capacitancia es fija, un voltaje más alto a través del mismo FET da como resultado un mayor flujo de corriente y una tasa de carga más rápida. Por lo tanto, aumentar el voltaje del riel del procesador puede aumentar la velocidad de conmutación.

Por supuesto, la desventaja es que a voltajes más altos, la pérdida de conmutación de los FET también aumenta, más de lo que las ganancias de los tiempos de conmutación más rápidos hacen que disminuya. Por lo tanto, un voltaje más alto da como resultado una temperatura de funcionamiento más alta, lo que también puede afectar el tiempo de conmutación de los FET y, en última instancia, provocar daños en el chip.

Además, los efectos wibbly-wobbly cuánticos pueden hacer que el chip se comporte de manera poco confiable.

Sin entrar en detalles, cuando diseñas un chip, pasas mucho tiempo haciendo análisis de tiempo entre todas las pequeñas rutas lógicas y de señal a cada celda dentro del chip. Solo puede ejecutar un chip tan rápido como cumpla con este tiempo sin obtener errores.

Esta velocidad máxima también se ve afectada por: proceso, temperatura y voltaje. Por lo tanto, puede aumentar el voltaje por diseño o tratando de aumentar el voltaje para aumentar el rendimiento.

El aumento del voltaje del núcleo aumenta el voltaje de cada celda del chip y esto disminuye el retraso de la hélice a través de esa celda, lo que hace que las rutas sean más rápidas. Luego puede aumentar la velocidad del reloj por separado para ver si su chip aún funciona sin errores a esta velocidad.

Por supuesto, también puede romper el tiempo de esta manera o romper su chip al dañarlo con sobretensión o sobretemperatura.

Su proceso y temperatura también afectarán las cosas, por lo que podría tener suerte y obtener un chip que ya puede funcionar más rápido de lo que está sincronizado, o desafortunado y obtener uno que ya funciona a una velocidad casi máxima.

En el tiempo anterior, la gente también enfriaba los chips para que funcionaran más rápido, pero ahora en los nodos de proceso más pequeños tenemos inversión de temperatura para que funcionen más rápido y más calientes.