Ускоряются ли компьютеры при более высоких температурах?

Будут ли компьютеры работать быстрее при более высоких температурах? Очевидно, всегда хочется охладить компьютер, так как более высокие температуры могут повредить основные компоненты.

Однако является ли это взаимодействием между кремнием, который при более высоких температурах высвобождает больше электронов, и сопротивлением металлических компонентов, которое увеличивается с ростом температуры? Или это незначительно с точки зрения общей производительности компьютера?

Давайте разбить ваши вопросы на подвопросы:

Быстрее компьютер:

Наиболее распространенным показателем «скорости» компьютера является его максимальная тактовая частота. Эта мера никогда не была точной ( миф Мегагерца ), но она стала совершенно неважной в последние годы после того, как многоядерные процессоры стали стандартом. В современных компьютерах максимальная производительность определяется гораздо более сложными факторами, чем просто максимальная тактовая частота (эти факторы включают аспекты как HW, так и SW).

Влияние температуры на тактовую частоту:

Сказал, что мы все еще хотим посмотреть, как температура влияет на тактовую частоту компьютера. Ну, ответ в том, что это никак не влияет на это. Часы для компьютера (обычно) получены из кварцевого генератора, который вообще не нагревается. Это означает, что частота генератора не зависит от температуры. Сигнал, генерируемый генератором, умножается по частоте на ФАПЧ. Выходная частота ФАПЧ не будет зависеть от температуры (при условии, что они были спроектированы правильно), но уровень шума в тактовом сигнале ФАПЧ будет увеличиваться с ростом температуры.

Приведенное выше обсуждение приводит к следующему выводу: повышение температуры не приведет к увеличению частоты часов (на сколько-нибудь заметную величину), но может привести к логическому отказу из-за увеличения шума в тактовом сигнале.

Влияние температуры на максимальную тактовую частоту:

Температура практически не влияет на заранее заданную частоту часов. Однако, может быть, более высокая температура позволяет использовать более высокие частоты?

Прежде всего вы должны понимать, что современные компьютеры не имеют тактовых частот, доведенных до предела технологии. Этот вопрос уже задавался здесь .

Вышеуказанное означает, что вы можете увеличить частоту вашего процессора выше той, которая была определена по умолчанию. Однако оказывается, что в этом случае температура является ограничивающим фактором, а не преимуществом. Две причины для этого:

• Сопротивление проводов увеличивается с температурой
• Скорость электромиграции увеличивается с температурой

Первый фактор приводит к более высокой вероятности логического сбоя при высоких температурах (используются неверные логические значения). Второй фактор приводит к более высокой вероятности физического отказа при высоких температурах (например, постоянное повреждение проводящего провода).

Поэтому температура является ограничивающим фактором максимальной частоты процессоров. Это причина, по которой разгон процессоров осуществляется с чрезмерным охлаждением, когда процессор перегрет.

Термически возбужденные носители в кремнии:

Я считаю, что вы пришли к неверным выводам из-за мысли, что сопротивление кремния уменьшается с температурой. Это не тот случай.

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

Кроме того, подвижность свободных носителей имеет тенденцию уменьшаться с температурой; поэтому вместо увеличения проводимости кремния вы, вероятно, заметите уменьшение, которое приведет к более высокой вероятности логического сбоя.

Вывод:

Температура является основным ограничивающим фактором скорости компьютеров.

Более высокие температуры процессоров также приводят к более высоким показателям глобального потепления, что очень плохо.

Расширенные темы для заинтересованных читателей:

Приведенные выше ответы, насколько я знаю, полностью верны для технологий до 32 нм. Однако для 22-нм технологии finFET от Intel картина может отличаться (я не нашел ссылок на этот новейший процесс в Интернете), и она, безусловно, изменится, поскольку технологии процессов продолжают сокращаться.

Обычный подход для сравнения «скорости» транзисторов, реализованных с использованием различных технологий, заключается в характеристике задержки распространения инвертора минимального размера. Поскольку этот параметр зависит от схемы управления и нагрузки самого инвертора, задержка рассчитывается, когда несколько инверторов подключены в замкнутом контуре, образующем кольцевой генератор .

Если задержка распространения увеличивается с температурой (более медленная логика), говорят, что устройство работает в нормальном режиме зависимости от температуры. Однако, в зависимости от условий работы устройства, задержка распространения может уменьшаться с температурой (более быстрая логика), и в этом случае говорят, что устройство работает в режиме обратной зависимости от температуры.

Даже самый базовый обзор факторов, связанных с переходом от нормального к обратному температурному режиму, выходит за рамки общего ответа и требует довольно глубоких знаний физики полупроводников. Эта статья - самый простой, но полный обзор этих факторов.

Суть вышеупомянутой статьи (и других ссылок, которые я нашел в Интернете) заключается в том, что обратная зависимость от температуры не должна наблюдаться в используемых в настоящее время технологиях (за исключением, может быть, 22-нм finFET, для которого я не нашел данных).

Ответ - нет.

Главным образом потому, что компьютер - это тактовая схема. Если температура процессора или всего компьютера выше, схема синхронизации не будет работать быстрее. Таким образом, количество MIPS или FLOPS одинаково, независимо от температуры.

Но , как видно из комментариев к вашим вопросам, температура может влиять на максимальную тактовую частоту, которую поддерживает ваш процессор.

Компьютеры работают так же быстро, как и часы. Следовательно, нагрев компьютера без каких-либо других действий не повлияет на вычислительную мощность, пока он не нагреется настолько, что он будет поврежден и вычислительная мощность станет равной 0.

Запуск компьютера использует электроэнергию, которая рассеивается в компьютере в виде тепла. Количество используемой электроэнергии частично пропорционально тактовой частоте. Это означает, что чем горячее компьютер, тем медленнее нужно его синхронизировать, чтобы избежать достижения критической точки, в которой он больше не может функционировать и может быть поврежден навсегда.

Вот почему высокопроизводительные компьютеры имеют датчики температуры. Внешняя цепь синхронизирует компьютер как можно быстрее, но не должна превышать его максимальную рабочую температуру. Поэтому нагрев одного из этих блоков уменьшается вычислительную мощность, поскольку схема управления тепловыми режимами будет синхронизировать работу компьютера медленнее, поскольку разрешается использовать меньше электроэнергии, прежде чем он достигнет своей максимальной рабочей температуры.

Я помню, как видел рекламу от Intel по этому поводу. Они демонстрировали, что их процессор имеет встроенную схему измерения температуры и настройки часов. Они показали два компьютера, один с их чипом и один с компьютером конкурента, работающие с одной и той же программой с одинаковой скоростью. Затем они сняли радиаторы с обоих процессоров. Один с внутренней схемой терморегуляции замедлился. Другой продолжал какое-то время, а затем полностью прекратился, когда перегрелся.

Основным типом переключающего элемента в типичных компьютерах является полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника. Такие устройства менее эффективны при пропускании тока в горячем состоянии, чем в холодном. Хотя в некоторых ситуациях такое поведение может быть полезным (например, оно улучшает способность распределенных нагрузок мощных полевых МОП-транзисторов), это также означает, что логические функции, реализованные с полевыми МОП-транзисторами, потребуют больше времени для переключения при более высоких температурах. Поскольку для надежной работы компьютера требуется, чтобы все цепи, которые должны переключаться в заданном цикле, справлялись с этим до наступления следующего цикла, компьютеры обычно не могут работать так же быстро при высоких температурах, как при низких температурах.

Кроме того, количество тепла, генерируемого компьютером с использованием логики дополнительного MOSFET, в значительной степени пропорционально фактической скорости, с которой он работает. Чтобы предотвратить повреждение от перегрева, ряд процессоров имеет схемы, которые автоматически замедляют их, если температура превышает определенный порог. Это, конечно, сильно снизит производительность приложения, но замедление работы приложения может быть лучше, чем полное прекращение работы процессора временно или постоянно.