Máy tính có tăng tốc ở nhiệt độ cao hơn không?

Ở nhiệt độ cao hơn, máy tính sẽ nhanh hơn? Rõ ràng, người ta luôn muốn làm mát máy tính xuống vì nhiệt độ cao hơn có thể làm hỏng các thành phần cốt lõi.

Tuy nhiên, đó có phải là sự tương tác giữa silicon, ở nhiệt độ cao hơn sẽ giải phóng nhiều electron hơn và điện trở của các thành phần kim loại sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng? Hoặc điều này là không đáng kể về hiệu suất máy tính tổng thể?

Hãy chia câu hỏi của bạn thành các câu hỏi phụ:

Máy tính nhanh hơn:

Thước đo phổ biến nhất về "tốc độ" của máy tính là tần số xung nhịp tối đa của nó. Biện pháp này chưa bao giờ là một biện pháp chính xác ( huyền thoại Megahertz ), nhưng nó trở nên hoàn toàn không quan trọng trong những năm gần đây sau khi bộ xử lý đa lõi trở thành một tiêu chuẩn. Trong các máy tính ngày nay, hiệu suất cao nhất được xác định bởi các yếu tố phức tạp hơn nhiều so với chỉ tần số xung nhịp tối đa (các yếu tố này bao gồm cả hai khía cạnh CTNH và SW).

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tần số đồng hồ:

Nói rằng, chúng tôi vẫn muốn xem nhiệt độ ảnh hưởng đến tần số đồng hồ của máy tính như thế nào. Vâng, câu trả lời là nó không ảnh hưởng đến nó theo bất kỳ cách đáng giá nào. Đồng hồ cho máy tính (thường) có nguồn gốc từ một bộ dao động tinh thể, không nóng lên chút nào. Điều này có nghĩa là tần số dao động không phụ thuộc vào nhiệt độ. Tín hiệu do bộ tạo dao động tạo ra được nhân với tần số bằng PLL. Tần số đầu ra của PLL sẽ không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ (giả sử rằng chúng được thiết kế đúng), nhưng mức độ nhiễu trong tín hiệu đồng hồ của PLL sẽ tăng theo nhiệt độ.

Các cuộc thảo luận ở trên dẫn đến kết luận sau: sự gia tăng nhiệt độ sẽ không làm tăng tần số của đồng hồ (bằng bất kỳ lượng đáng kể nào), nhưng có thể dẫn đến lỗi logic do nhiễu tín hiệu đồng hồ tăng.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tần số xung nhịp tối đa:

Nhiệt độ thực sự không ảnh hưởng đến tần số được xác định trước của đồng hồ. Tuy nhiên, có thể nhiệt độ cao hơn cho phép tần số cao hơn được sử dụng?

Trước hết bạn cần hiểu rằng các máy tính hiện đại không khiến tốc độ xung nhịp của chúng bị đẩy đến giới hạn của công nghệ. Câu hỏi này đã được hỏi ở đây .

Ở trên có nghĩa là bạn có thể tăng tần số CPU của mình lên trên tần số được xác định theo mặc định. Tuy nhiên, hóa ra trong trường hợp này, nhiệt độ là yếu tố giới hạn, không phải là lợi ích. Hai lý do cho việc này:

• Điện trở của dây tăng theo nhiệt độ
• Tốc độ điện từ tăng theo nhiệt độ

Yếu tố đầu tiên dẫn đến xác suất thất bại logic cao hơn ở nhiệt độ cao (sử dụng các giá trị logic không chính xác). Yếu tố thứ hai dẫn đến xác suất thất bại vật lý cao hơn ở nhiệt độ cao (như hư hỏng vĩnh viễn đối với dây dẫn).

Do đó, nhiệt độ là yếu tố giới hạn tần số tối đa của bộ xử lý. Đó là lý do tại sao việc ép xung lạm dụng nhất của bộ xử lý được thực hiện trong khi bộ xử lý siêu mát.

Chất mang nhiệt kích thích trong silicon:

Tôi tin rằng bạn đã dẫn đến kết luận sai lầm bởi suy nghĩ rằng điện trở suất của silicon giảm theo nhiệt độ. Thực tế không phải là như vậy.

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

Hơn nữa, tính di động của chất mang tự do có xu hướng giảm theo nhiệt độ; do đó, thay vì sự tăng độ dẫn của silicon, có lẽ bạn sẽ quan sát thấy sự sụt giảm sẽ dẫn đến xác suất thất bại logic cao hơn.

Phần kết luận:

Nhiệt độ là yếu tố giới hạn chính của tốc độ máy tính.

Nhiệt độ cao hơn của bộ xử lý cũng dẫn đến tỷ lệ Hâm nóng toàn cầu cao hơn, điều này rất tệ.

Chủ đề nâng cao cho độc giả quan tâm:

Các câu trả lời ở trên, theo hiểu biết tốt nhất của tôi, là hoàn toàn chính xác cho các công nghệ xuống đến 32nm. Tuy nhiên, bức tranh có thể khác với công nghệ FinFET 22nm của Intel (tôi không tìm thấy tài liệu tham khảo nào cho quy trình mới nhất này trên web) và nó chắc chắn sẽ thay đổi khi các công nghệ xử lý tiếp tục giảm quy mô.

Cách tiếp cận thông thường để so sánh "tốc độ" của các bóng bán dẫn được thực hiện bằng các công nghệ khác nhau là đặc trưng cho độ trễ lan truyền của biến tần kích thước tối thiểu. Do tham số này phụ thuộc vào mạch lái và tải của biến tần, nên độ trễ được tính khi có ít bộ biến tần được kết nối trong một vòng kín tạo thành Bộ tạo dao động vòng .

Nếu độ trễ lan truyền tăng theo nhiệt độ (logic chậm hơn), thiết bị được cho là hoạt động ở Chế độ phụ thuộc nhiệt độ bình thường. Tuy nhiên, tùy thuộc vào điều kiện hoạt động của thiết bị, độ trễ lan truyền có thể giảm theo nhiệt độ (logic nhanh hơn), trong trường hợp đó thiết bị được cho là hoạt động trong Chế độ phụ thuộc nhiệt độ ngược.

Ngay cả cái nhìn tổng quan cơ bản nhất về các yếu tố liên quan đến quá trình chuyển đổi từ chế độ nhiệt độ Bình thường sang Đảo ngược cũng nằm ngoài phạm vi của một câu trả lời chung, và đòi hỏi kiến ​​thức khá sâu về vật lý bán dẫn. Bài viết này là tổng quan đơn giản nhất nhưng đầy đủ về các yếu tố này.

Điểm mấu chốt của bài viết trên (và các tài liệu tham khảo khác mà tôi tìm thấy trên web) là không nên quan sát sự phụ thuộc nhiệt độ ngược trong các công nghệ hiện đang sử dụng (ngoại trừ, có thể, đối với bộ xử lý 22nm mà tôi không tìm thấy dữ liệu).

Câu trả lời là không.

Chủ yếu là vì một máy tính là một mạch đồng hồ. Nếu CPU hoặc toàn bộ máy tính ở nhiệt độ cao hơn, mạch đồng hồ sẽ không chạy nhanh hơn. Do đó, số lượng MIPS hoặc FLOPS là như nhau, bất kể nhiệt độ.

Nhưng , như đã thấy trong các bình luận về câu hỏi của bạn, nhiệt độ có thể có ảnh hưởng đến tốc độ xung nhịp tối đa mà CPU của bạn sẽ hỗ trợ.

Máy tính chạy nhanh như bạn xem chúng. Do đó, làm nóng máy tính mà không làm gì khác, sẽ không ảnh hưởng đến năng lượng tính toán cho đến khi nó bị nóng đến mức bị hỏng và công suất tính toán giảm xuống 0.

Chạy máy tính sử dụng năng lượng điện, được tiêu tan trong máy tính dưới dạng nhiệt. Lượng năng lượng điện được sử dụng một phần tỷ lệ thuận với tốc độ đồng hồ. Điều này có nghĩa là máy tính càng nóng thì bạn càng phải chậm đồng hồ để tránh đến điểm tới hạn mà tại đó nó không thể hoạt động được nữa và có thể bị hỏng vĩnh viễn.

Đây là lý do tại sao các máy tính bảng hiệu suất cao có cảm biến nhiệt độ. Một mạch ngoài đồng hồ máy tính càng nhanh càng tốt, nhưng không vượt quá nhiệt độ hoạt động tối đa của nó. Do đó, việc làm nóng một trong các đơn vị này làm giảm công suất tính toán vì mạch quản lý nhiệt sẽ làm cho máy tính chậm hơn do năng lượng điện được cho phép ít hơn trước khi nó đạt đến nhiệt độ hoạt động tối đa.

Tôi nhớ đã thấy một quảng cáo từ Intel về điều này. Họ đã thể hiện rằng bộ xử lý của họ có cảm biến nhiệt độ và mạch điều chỉnh đồng hồ tích hợp. Họ cho thấy hai máy tính, một với chip của họ và một với đối thủ cạnh tranh, chạy cùng một chương trình với cùng tốc độ. Sau đó, họ lấy tản nhiệt ra khỏi cả hai bộ xử lý. Một trong những mạch quản lý nhiệt nội bộ chậm lại. Một người khác tiếp tục đi một lúc, sau đó bỏ hẳn khi quá nóng.

Loại phần tử chuyển mạch chính trong các máy tính thông thường là bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại. Các thiết bị như vậy ít hiệu quả hơn khi truyền dòng điện khi nóng hơn khi lạnh. Mặc dù có một số tình huống trong đó hành vi như vậy có thể là một điều tốt (ví dụ: nó cải thiện khả năng chia sẻ tải của MOSFET điện), điều đó cũng có nghĩa là các chức năng logic được thực hiện với MOSFET sẽ mất nhiều thời gian hơn để chuyển đổi ở nhiệt độ cao hơn. Do hoạt động đáng tin cậy của máy tính đòi hỏi tất cả các mạch được cho là chuyển đổi trong một chu trình nhất định phải làm như vậy trước khi chu kỳ tiếp theo đến, máy tính thường không thể hoạt động nhanh ở nhiệt độ cao như nhiệt độ chậm.

Hơn nữa, lượng nhiệt được tạo ra bởi một máy tính sử dụng logic MOSFET bổ sung là một phép đo lớn tỷ lệ thuận với tốc độ thực tế mà nó đang chạy. Để tránh thiệt hại do quá nóng, một số bộ xử lý có mạch sẽ tự động làm chậm chúng nếu nhiệt độ vượt quá một ngưỡng nhất định. Điều này tất nhiên sẽ làm giảm hiệu suất ứng dụng một cách nghiêm trọng, nhưng việc làm chậm ứng dụng có thể tốt hơn việc bộ xử lý hoàn toàn ngừng hoạt động tạm thời hoặc vĩnh viễn.