¿Se puede aumentar la velocidad de una CPU actualizando (físicamente) el reloj de la CPU?

Leí en alguna parte [...] que el factor limitante real es la velocidad de viaje de los electrones en los circuitos, que no se cumplirá hasta tasas de THz extremadamente altas, o muy por encima de PHz.

Pura ficción. La velocidad de viaje de los electrones en sí es relativamente baja. La velocidad de viaje de las ondas electromagnéticas , que es la interesante, es del orden de la velocidad de la luz. A 1 THz, o en 1 ps (picosegundo, 1e-12s), su señal viajaría solo 0,3 mm.

qué me impediría acelerar una CPU si reemplazo el reloj

La ruta crítica le impediría pasar por encima de una determinada frecuencia que, por lo general, no es mucho más alta que la especificada. En pocas palabras, esta es la ruta de la señal que lleva más tiempo, pero debe terminarse en un ciclo de reloj. Una vez que aumente la velocidad del reloj por encima de ese límite, la CPU ya no funcionará correctamente.

¿¡En realidad!? Nunca se te ocurrió que si todo lo que tuvieras que hacer fuera aumentar la frecuencia del reloj para que un procesador funcionara más rápido, alguien ya lo habría hecho. ¿De verdad crees que Intel y otros con miles de ingenieros analizando este problema no se dieron cuenta de que todo lo que tenían que hacer era aumentar la frecuencia del reloj en lugar de gastar unos 100 G$ en una nueva fábrica? ¡Eh!

No, no funciona de esa manera, obviamente.

En primer lugar, los electrones en realidad viajan muy lentamente en los conductores eléctricos. Sin embargo, eso no importa. Es la velocidad de propagación lo que importa.

En segundo lugar, la velocidad de propagación de la señal no es el factor limitante en los procesadores modernos. Deténgase y realmente piense en ello. ¿Cuál es la velocidad de la luz? Incluso suponiendo que la velocidad de propagación de la señal es la mitad debido a la impedancia de la línea de transmisión, ¿cuánto tiempo tardaría una señal en cruzar la matriz? No, en realidad ve a averiguarlo.

Los límites reales en la lógica digital de vanguardia de hoy provienen de tener que cargar y descargar la capacitancia inevitable en cualquier conductor al que intenta cambiar el voltaje y el tiempo de reacción de los semiconductores. Ambos causan un retraso desde que comienza a impulsar la entrada de una compuerta hasta que la salida alcanza el umbral donde el circuito aguas abajo lo interpretará de manera confiable como el nivel alto o bajo previsto. Cada puerta individual puede ser bastante rápida, demorando menos de un ns. Sin embargo, para hacer cosas significativas en un procesador puede haber varias etapas sucesivas de puertas.

Gran parte del diseño del procesador de alto rendimiento está reduciendo los retrasos de puerta en el peor de los casos. A menudo, un retraso más corto se puede compensar con la complejidad.

Por ejemplo, mira un sumador básico. Cada etapa toma los dos bits que se agregarán, el acarreo de la etapa anterior, y produce el bit de salida y el acarreo que se pasa a la siguiente etapa. En un sumador básico, el retardo de puerta crece con el número de bits. Los bits más altos no se pueden agregar hasta que esté disponible el acarreo de los bits más bajos. Este sumador básico también se llama sumador de acarreo de ondulación . Hay otros tipos de sumadores que tienen acarreo anticipado . Estos toman más puertas, pero pueden agregar dos números anchos más rápido. Por supuesto, más puertas significan más costos y más consumo de energía, lo que significa que se requiere más refrigeración, etc. Nada es gratis. Este mismo principio de más puertas para hacer las cosas más rápido se aplica en muchos lugares.

Luego hay otras cosas, como la memoria, que a veces funcionan con un principio diferente al de las puertas, y también tienen sus tiempos de retraso inherentes.

Volviendo a la pregunta original, el punto es que todas estas puertas funcionan con un retraso mínimo desde que las entradas son estables hasta que se garantiza que las salidas son correctas. Una forma de garantizar esto es bloqueando las entradas en un borde de reloj y luego no usar las salidas hasta un borde de reloj posterior. Las personas que diseñan el procesador deciden con mucho cuidado qué tan rápido se puede sincronizar en qué rango de temperatura y voltaje para que todas las puertas tengan las respuestas correctas en el momento en que se usan esas respuestas.

Otro factor limitante es poder deshacerse del calor. Todas esas pequeñas capacitancias parásitas que se cargan y descargan provocan una corriente proporcional a la frecuencia de carga y descarga. Esto significa que los relojes más rápidos provocan una corriente más alta, lo que provoca más calor, que debe eliminarse de forma segura para que el chip siga funcionando. El silicio deja de ser un semiconductor alrededor de los 150 °C y, por supuesto, necesita un margen por debajo de eso. Si las compuertas están muy juntas, cronometrarlas demasiado rápido hará que se calienten demasiado para funcionar dentro de su capacidad para eliminar el calor. Esta es la razón por la que, en algunos casos, puede hacer overclocking en algunos procesadores enfriándolos más de lo previsto. Tenga en cuenta que esto solo aborda uno de los factores limitantes, por lo que no puede seguir acelerando un procesador sin importar cuánto pueda enfriarlo.

De todos modos, la velocidad de reloj máxima de cualquier procesador es un tema complejo. No, no se puede sincronizar más rápido para que funcione más rápido y seguir funcionando, y no, el factor limitante tiene poco que ver con la velocidad a la que viajan los electrones.

Además de lo que otros dijeron, la propagación de electrones SÍ importa, pero no en circuitos completos sino en los transistores mismos. Tan pronto como la onda electromagnética llega a un transistor, DEBE mover electrones (ese es el punto central de un transistor) y esos pueden ser lentos. Es por eso que, por ejemplo, la tecnología NMOS era más rápida que PMOS y CMOS de la época (alrededor de 1970/80), porque como los electrones son más rápidos que los agujeros (portadores), el transistor tipo p (usado en cmos) ralentizaba la propagación de la señal. Las ventajas de CMOS eran tan grandes que se usaron de todos modos, y la solución llegó con la miniaturización de los propios transistores. Existe una relación entre los costos de retardo de la ruta y el tamaño del transistor y, por lo general, es por eso que dos procesadores, si se realizan en diferentes tecnologías de nodo, mostrarán diferentes velocidades de reloj. Los transistores más pequeños son caminos más cortos para que fluyan los electrones.

Además de eso, los transistores CMOS usan un óxido de metal entre la puerta y el canal, esto efectivamente compensa un capacitor (y hace que la impedancia de entrada sea bastante alta). La capacitancia intrínseca entre la puerta y el canal retrasa la velocidad a la que cambiará el transistor, y esto también se suma a los retrasos de ruta que establecerán la velocidad máxima de reloj de un procesador o dispositivo digital.