Czy komputery przyspieszają w wyższych temperaturach?

Czy w wyższych temperaturach komputery będą szybsze? Oczywiście, zawsze chce się ochłodzić komputer, ponieważ wyższe temperatury mogą uszkodzić podstawowe elementy.

Czy jest to jednak wzajemne oddziaływanie krzemu, który w wyższych temperaturach uwalnia więcej elektronów, a opór elementów metalowych rośnie wraz z temperaturą? Czy jest to nieistotne z punktu widzenia ogólnej wydajności komputera?

Podzielmy twoje pytania na pytania częściowe:

Szybszy komputer:

Najczęstszą miarą „prędkości” komputera jest jego maksymalna częstotliwość taktowania. Miara ta nigdy nie była dokładna ( mit megahercowy ), ale stała się zupełnie nieważna w ostatnich latach, gdy procesory wielordzeniowe stały się standardem. W dzisiejszych komputerach o najwyższej wydajności decydują znacznie bardziej złożone czynniki niż tylko maksymalna częstotliwość taktowania (czynniki te obejmują zarówno aspekty HW, jak i SW).

Wpływ temperatury na częstotliwość zegara:

Powiedziawszy to, nadal chcemy zobaczyć, jak temperatura wpływa na częstotliwość zegara komputera. Odpowiedź brzmi: nie wpływa to w żaden znaczący sposób. Zegar komputera (zwykle) pochodzi z kryształowego oscylatora, który w ogóle się nie nagrzewa. Oznacza to, że częstotliwość oscylatora jest niezależna od temperatury. Sygnał wytwarzany przez oscylator jest mnożony częstotliwościowo przez PLL. Na częstotliwość wyjściową PLL nie będzie miała wpływu temperatura (przy założeniu, że zostały one właściwie zaprojektowane), ale poziom szumu w sygnale zegarowym PLL będzie wzrastał wraz z temperaturą.

Powyższa dyskusja prowadzi do następującego wniosku: wzrost temperatury nie zwiększy częstotliwości zegara (o jakąkolwiek znaczącą ilość), ale może prowadzić do logicznej awarii z powodu zwiększonego szumu w sygnale zegara.

Wpływ temperatury na maksymalną częstotliwość zegara:

Temperatura faktycznie nie ma wpływu na wstępnie określoną częstotliwość zegara. Może jednak wyższa temperatura pozwala na zastosowanie wyższych częstotliwości?

Przede wszystkim musisz zrozumieć, że współczesne komputery nie mają taktowania zegara przesuniętego na granicę technologii. To pytanie zostało już zadane tutaj .

Powyższe oznacza, że ​​możesz zwiększyć częstotliwość swojego procesora powyżej zdefiniowanej domyślnie. Okazuje się jednak, że w tym przypadku temperatura jest czynnikiem ograniczającym, a nie korzyścią. Dwa powody tego:

• Rezystancja drutów rośnie wraz z temperaturą
• Tempo elektromigracji wzrasta wraz z temperaturą

Pierwszy czynnik prowadzi do wyższego prawdopodobieństwa awarii logicznej w wysokich temperaturach (przy użyciu nieprawidłowych wartości logicznych). Drugi czynnik prowadzi do wyższego prawdopodobieństwa fizycznego uszkodzenia w wysokich temperaturach (np. Trwałego uszkodzenia drutu przewodzącego).

Dlatego temperatura jest czynnikiem ograniczającym maksymalną częstotliwość procesorów. To jest powód, dla którego najbardziej nadużycie podkręcania procesorów jest wykonywane, gdy procesor jest super chłodzony.

Nośniki wzbudzane termicznie w krzemie:

Uważam, że do błędnych wniosków doprowadziła cię myśl, że rezystywność krzemu zmniejsza się wraz z temperaturą. Tak nie jest.

$\geq 10^{16}cm^{-3}$ ) - procesor spali się na długo przed generacji temperatury będzie również oddziaływał przewodności krzemu.

Ponadto mobilność wolnych przewoźników ma tendencję do zmniejszania się wraz z temperaturą; dlatego zamiast wzrostu przewodności krzemu prawdopodobnie zaobserwujesz spadek, który doprowadzi do wyższego prawdopodobieństwa awarii logicznej.

Wniosek:

Temperatura jest głównym czynnikiem ograniczającym prędkość komputerów.

Wyższe temperatury procesorów również prowadzą do wyższych wskaźników globalnego ocieplenia, co jest bardzo złe.

Zaawansowane tematy dla zainteresowanych czytelników:

Powyższe odpowiedzi, według mojej najlepszej wiedzy, są całkowicie poprawne dla technologii do 32 nm. Jednak obraz może być inny w przypadku technologii finFET 22 nm Intela (nie znalazłem żadnych odniesień do tego najnowszego procesu w Internecie) i na pewno się zmieni, gdy technologie procesowe będą się zmniejszać.

Typowym podejściem do porównywania „prędkości” tranzystorów realizowanych przy użyciu różnych technologii jest scharakteryzowanie opóźnienia propagacji falownika o minimalnej wielkości. Ponieważ ten parametr zależy od obwodu sterującego i obciążenia samego falownika, opóźnienie jest obliczane, gdy kilka falowników jest podłączonych w zamkniętej pętli tworzącej oscylator pierścieniowy .

Jeśli opóźnienie propagacji rośnie wraz z temperaturą (wolniejsza logika), mówi się, że urządzenie działa w trybie normalnej zależności temperatur. Jednak w zależności od warunków pracy urządzenia opóźnienie propagacji może maleć wraz z temperaturą (szybsza logika), w którym to przypadku mówi się, że urządzenie działa w reżimie odwrotnej zależności temperaturowej.

Nawet najbardziej podstawowy przegląd czynników związanych z przejściem z reżimów temperatury normalnej do rewersyjnej jest poza zakresem ogólnej odpowiedzi i wymaga dość głębokiej wiedzy na temat fizyki półprzewodników. Ten artykuł jest najprostszym, ale pełnym przeglądem tych czynników.

Najważniejsze w powyższym artykule (i innych odnośnikach, które znalazłem w Internecie) jest to, że odwróconej zależności temperaturowej nie należy obserwować w obecnie stosowanych technologiach (z wyjątkiem, być może, 22 nm finFET, dla których nie znalazłem danych).

Odpowiedź brzmi nie.

Głównie dlatego, że komputer jest układem taktowanym. Jeśli procesor lub cały komputer ma wyższą temperaturę, obwód zegara nie działałby szybciej. Zatem liczba MIPS lub FLOPS jest taka sama, niezależnie od temperatury.

Ale , jak widać w komentarzach do twoich pytań, temperatura może mieć wpływ na maksymalną częstotliwość taktowania obsługiwaną przez procesor.

Komputery działają tak szybko, jak je zegar. Dlatego podgrzewanie komputera bez wykonywania innych czynności nie wpłynie na moc obliczeniową, dopóki nie zostanie ona podgrzana do tego stopnia, że ​​zostanie uszkodzona, a moc obliczeniowa osiągnie wartość 0.

Uruchomienie komputera zużywa energię elektryczną, która jest rozpraszana w komputerze jako ciepło. Ilość zużytej energii elektrycznej jest częściowo proporcjonalna do prędkości zegara. Oznacza to, że im cieplejszy jest komputer, tym wolniej trzeba go taktować, aby uniknąć osiągnięcia krytycznego punktu, w którym nie może on dłużej działać i może zostać trwale uszkodzony.

Właśnie dlatego wysokowydajne komputery wyposażone są w czujniki temperatury. Obwód zewnętrzny taktuje komputer tak szybko, jak to możliwe, ale nie może przekroczyć maksymalnej temperatury roboczej. Dlatego ogrzewanie jednej z tych jednostek maleje moc obliczeniową, ponieważ obwód zarządzania temperaturą taktuje komputer wolniej, ponieważ mniej energii elektrycznej jest dozwolone, zanim osiągnie maksymalną temperaturę pracy.

Pamiętam, że widziałem o tym reklamę Intela. Pokazali, że ich procesor ma wbudowany obwód pomiaru temperatury i regulacji zegara. Pokazali dwa komputery, jeden z chipem, a drugi z konkurencyjnym, z tym samym programem z tą samą prędkością. Następnie zdjęli radiatory z obu procesorów. Ten z wewnętrznym obwodem zarządzania temperaturą zwolnił. Drugi kontynuował przez chwilę, a potem całkowicie się wyłączył, gdy się przegrzał.

Podstawowym rodzajem elementu przełączającego w typowych komputerach jest półprzewodnikowy tranzystor polowy z tlenku metalu. Takie urządzenia są mniej skuteczne w przepuszczaniu prądu, gdy są gorące niż zimne. Chociaż istnieją sytuacje, w których takie zachowanie może być dobre (np. Poprawia zdolność dzielenia obciążenia MOSFET-ów mocy), oznacza to również, że funkcje logiczne zaimplementowane w MOSFET-ach zajmie więcej czasu w wyższych temperaturach. Ponieważ niezawodne działanie komputera wymaga, aby wszystkie obwody, które powinny się przełączać w danym cyklu, zdołały to zrobić przed nadejściem następnego cyklu, komputery na ogół nie mogą działać tak szybko w wysokich temperaturach, jak w niskich temperaturach.

Ponadto ilość ciepła generowanego przez komputer wykorzystujący układ logiczny komplementarnego MOSFET jest w dużej mierze proporcjonalna do faktycznej prędkości, z jaką pracuje. Aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym przegrzaniem, wiele procesorów ma obwody, które automatycznie je spowolnią, jeśli temperatura przekroczy określony próg. Spowoduje to oczywiście znaczne ograniczenie wydajności aplikacji, ale spowolnienie aplikacji może być lepsze niż całkowite zaprzestanie działania procesora, tymczasowo lub na stałe.