Os computadores aceleram a temperaturas mais altas?

Em temperaturas mais altas, os computadores ficarão mais rápidos? Evidentemente, sempre se deseja resfriar um computador, pois temperaturas mais altas podem danificar os componentes principais.

No entanto, é uma interação entre o silício, que a temperaturas mais altas libera mais elétrons e a resistência dos componentes metálicos que aumenta à medida que a temperatura aumenta? Ou isso é insignificante em termos de desempenho geral do computador?

Vamos dividir suas perguntas em sub-perguntas:

Computador mais rápido:

A medida mais comum da "velocidade" do computador é sua frequência máxima de clock. Essa medida nunca foi precisa ( mito Megahertz ), mas tornou-se totalmente sem importância nos últimos anos, depois que os processadores com vários núcleos se tornaram um padrão. Nos computadores de hoje, o desempenho superior é determinado por fatores muito mais complexos do que apenas a freqüência máxima do relógio (esses fatores incluem os aspectos HW e SW).

Efeito da temperatura na frequência do relógio:

Dito isso, ainda queremos ver como a temperatura afeta a frequência do relógio do computador. Bem, a resposta é que isso não afeta de maneira apreciável. O relógio do computador é (geralmente) derivado de um oscilador de cristal, que não esquenta. Isso significa que a frequência do oscilador é independente da temperatura. O sinal produzido pelo oscilador é multiplicado em frequência pelos PLLs. A frequência de saída dos PLLs não será afetada pela temperatura (supondo que eles tenham sido projetados corretamente), mas o nível de ruído no sinal do relógio dos PLLs aumentará com a temperatura.

A discussão acima leva à seguinte conclusão: o aumento da temperatura não aumentará a frequência do relógio (em qualquer quantidade apreciável), mas poderá levar a uma falha lógica devido ao aumento do ruído no sinal do relógio.

Efeito da temperatura na freqüência máxima do relógio:

A temperatura não afeta efetivamente a frequência predefinida do relógio. No entanto, talvez uma temperatura mais alta permita a utilização de frequências mais altas?

Primeiro de tudo, você precisa entender que os computadores modernos não têm suas taxas de clock pressionadas até o limite da tecnologia. Esta pergunta já foi feita aqui .

O acima significa que você pode aumentar a frequência da sua CPU acima da que foi definida por padrão. Contudo, neste caso, a temperatura é o fator limitante, não um benefício. Duas razões para isso:

• A resistência dos fios aumenta com a temperatura
• As taxas de eletromigração aumentam com a temperatura

O primeiro fator leva a uma maior probabilidade de falha lógica em altas temperaturas (valores lógicos incorretos sendo usados). O segundo fator leva a uma maior probabilidade de falha física em altas temperaturas (como danos permanentes a um fio condutor).

Portanto, a temperatura é o fator limitante da frequência máxima dos processadores. É a razão pela qual o overclock mais abusivo dos processadores é realizado enquanto o processador é super-resfriado.

Portadores excitados termicamente em silício:

Acredito que você foi levado a conclusões erradas pelo pensamento de que a resistividade do silício se reduz com a temperatura. Não é o caso.

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

Além disso, a mobilidade dos transportadores livres tende a diminuir com a temperatura; portanto, em vez do aumento da condutividade do silício, você provavelmente observará uma diminuição que levará a uma maior probabilidade de falha lógica.

Conclusão:

A temperatura é o principal fator limitante da velocidade dos computadores.

Temperaturas mais altas dos processadores também levam a taxas mais altas de aquecimento global, o que é muito ruim.

Tópicos avançados para leitores interessados:

As respostas acima, que eu saiba, são completamente corretas para tecnologias de até 32nm. No entanto, a imagem pode ser diferente para a tecnologia finFET de 22nm da Intel (não encontrei referências para esse processo mais novo na web) e certamente mudará à medida que as tecnologias de processo continuarem diminuindo.

A abordagem usual para comparar a "velocidade" dos transistores implementados usando diferentes tecnologias é caracterizar o atraso de propagação do inversor de tamanho mínimo. Como esse parâmetro depende do circuito de acionamento e da carga do próprio inversor, o atraso é calculado quando poucos inversores são conectados em um circuito fechado formando um oscilador de anel .

Se o atraso de propagação estiver aumentando com a temperatura (lógica mais lenta), diz-se que o dispositivo opera no regime de dependência de temperatura normal. No entanto, dependendo das condições de operação do dispositivo, o atraso de propagação pode diminuir com a temperatura (lógica mais rápida); nesse caso, diz-se que o dispositivo opera no regime de dependência de temperatura reversa.

Mesmo a visão geral mais básica dos fatores envolvidos na transição dos regimes de temperatura normal para reversa está além do escopo de uma resposta geral e requer conhecimento bastante profundo da física dos semicondutores. Este artigo é a visão geral mais simples e completa desses fatores.

A conclusão do artigo acima (e outras referências que encontrei na Web) é que a dependência da temperatura reversa não deve ser observada nas tecnologias atualmente empregadas (exceto, talvez, no finFET de 22nm, para o qual não encontrei dados).

A resposta é não.

Principalmente porque um computador é um circuito com clock. Se a CPU ou o computador inteiro estiver em uma temperatura mais alta, o circuito do relógio não funcionará mais rápido. Assim, o número de MIPS ou FLOPS é o mesmo, independentemente da temperatura.

Mas , como visto nos comentários de suas perguntas, a temperatura pode afetar a taxa máxima de clock suportada pela CPU.

Os computadores funcionam tão rápido quanto você os registra. Portanto, aquecer um computador sem fazer outra coisa diferente não afetará a potência computacional até que seja aquecido até o ponto em que esteja danificado e a potência computacional vá para 0.

A operação de um computador utiliza energia elétrica, que é dissipada no computador como calor. A quantidade de energia elétrica utilizada é em parte proporcional à velocidade do relógio. Isso significa que, quanto mais quente o computador, mais lento será o relógio para evitar atingir o ponto crítico no qual ele não pode mais funcionar e possivelmente ser danificado permanentemente.

É por isso que os comuputers de alto desempenho possuem sensores de temperatura. Um circuito externo faz o relógio do computador o mais rápido possível, mas não excede a temperatura máxima de operação. Portanto, o aquecimento de uma dessas unidades diminui a energia computacional porque o circuito de gerenciamento térmico cria um clock mais lento no computador, pois menos energia elétrica é permitida antes que atinja sua temperatura operacional máxima.

Lembro-me de ver um comercial da Intel sobre isso. Eles estavam mostrando que seu processador tinha esse circuito de sensor de temperatura e ajuste de relógio embutido. Eles mostraram dois computadores, um com chip e outro com concorrente, executando o mesmo programa na mesma velocidade. Então eles tiraram o dissipador de calor dos dois processadores. Aquele com o circuito de gerenciamento térmico interno diminuiu a velocidade. O outro continuou por um tempo, depois parou completamente quando superaqueceu.

O tipo principal de elemento de comutação em computadores típicos é o transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico. Tais dispositivos são menos eficazes na passagem da corrente quando quente do que quando frio. Embora existam situações em que esse comportamento possa ser uma coisa boa (por exemplo, melhora a capacidade de compartilhamento de carga dos MOSFETs de energia), isso também significa que as funções lógicas implementadas com os MOSFETs levarão mais tempo para serem trocadas em temperaturas mais altas. Como a operação confiável de um computador exige que todos os circuitos que devem mudar em um determinado ciclo o façam antes do próximo ciclo, os computadores geralmente não podem operar tão rápido em altas temperaturas quanto em baixas temperaturas.

Além disso, a quantidade de calor gerada por um computador usando a lógica MOSFET complementar é em grande parte proporcional à velocidade real em que está sendo executado. Para evitar danos por superaquecimento, vários processadores possuem circuitos que os desacelerarão automaticamente se as temperaturas excederem um determinado limite. Obviamente, isso reduzirá severamente o desempenho do aplicativo, mas diminuir a velocidade do aplicativo pode ser melhor do que o processador interromper completamente a operação temporária ou permanentemente.