Чи прискорюються комп'ютери при більш високих температурах?

Чи будуть комп'ютери швидше працювати при більш високій температурі? Очевидно, що завжди хочеться охолодити комп'ютер, оскільки більш високі температури можуть пошкодити основні компоненти.

Однак чи це взаємодія між кремнієм, який при більш високій температурі виділить більше електронів, і опір металевих компонентів, який зростатиме в міру підвищення температури? Або це незначно з точки зору загальної продуктивності комп'ютера?

Дозволяє розбивати ваші запитання на підпитання:

Швидше комп'ютер:

Найпоширеніший показник "швидкості" комп'ютера - його максимальна тактова частота. Цей захід ніколи не був точним ( міф про Мегагерц ), але він став абсолютно не важливим в останні роки після того, як багатоядерні процесори стали стандартом. У сучасних комп’ютерах найвища продуктивність визначається набагато складнішими факторами, ніж просто максимальна тактова частота (ці фактори включають як HW, так і SW аспекти).

Вплив температури на тактову частоту:

Сказав це, ми все ще хочемо побачити, як температура впливає на тактову частоту комп'ютера. Ну, відповідь полягає в тому, що це ніяк не впливає на це помітно. Годинник для комп’ютера (як правило) походить від кристалічного осцилятора, який зовсім не нагрівається. Це означає, що частота генератора не залежить від температури. Сигнал, що видається генератором, множиться по частоті на PLL. На вихідну частоту PLL не впливатиме температура (якщо припустити, що вони були спроектовані належним чином), але рівень шуму в тактовому сигналі PLL буде зростати з температурою.

Вищенаведене обговорення призводить до наступного висновку: підвищення температури не збільшить частоту роботи годинника (на будь-яку помітну кількість), але може призвести до логічного виходу з ладу через посилення шуму в тактовому сигналі.

Вплив температури на максимальну тактову частоту:

Температура фактично не впливає на заздалегідь задану частоту роботи годинника. Однак, може, більш висока температура дозволяє використовувати більш високі частоти?

Перш за все вам потрібно зрозуміти, що сучасні комп’ютери не мають своїх тактових частот, висунутих до меж технології. Це питання вже задавали тут .

Вищезазначене означає, що ви можете збільшити частоту свого процесора вище тієї, яку було визначено за замовчуванням. Однак виявляється, що в цьому випадку температура є обмежуючим фактором, а не користю. Дві причини цього:

• Опір проводів зростає з температурою
• Швидкість електроміграції зростає з температурою

Перший фактор призводить до більшої ймовірності логічного збою при високих температурах (неправильні логічні значення використовуються). Другий фактор призводить до більшої ймовірності фізичного збою при високих температурах (як постійне пошкодження струмопровідного проводу).

Тому температура є граничним фактором максимальної частоти процесорів. Це є причиною, коли найшвидший розгін процесорів виконується, коли процесор переохолоджується.

Термічно збуджені носії кремнію:

Я вважаю, що вас привели до неправильних висновків думкою, що питомий опір кремнію знижується з температурою. Це не так.

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

Крім того, рухливість вільних носіїв має тенденцію до зниження температури; отже, замість збільшення провідності кремнію, ймовірно, ви спостерігатимете зменшення, що призведе до більшої ймовірності логічного виходу з ладу.

Висновок:

Температура - основні обмежуючі фактори швидкості роботи комп'ютерів.

Вищі температури процесорів також призводять до підвищення швидкості глобального потепління, що дуже погано.

Розширені теми для зацікавлених читачів:

Наведені вище відповіді, наскільки мені відомо, цілком коректні для технологій до 32 нм. Однак картина може бути різною для 22-нм-технологій finFET від Intel (я не знайшов посилань на цей останній процес в Інтернеті), і це, безумовно, зміниться, оскільки технологічні процеси продовжують зменшуватися.

Звичайний підхід для порівняння "швидкості" транзисторів, реалізованих за допомогою різних технологій, полягає в характеристиці затримки розповсюдження інвертора мінімального розміру. Оскільки цей параметр залежить від ланцюга приводу та навантаження самого перетворювача, затримка обчислюється, коли кілька інверторів підключено до замкнутого контуру, що утворює кільцевий осцилятор .

Якщо затримка розповсюдження зростає з підвищенням температури (повільніша логіка), то, як кажуть, пристрій працює в режимі залежності від нормальної температури. Однак, залежно від умов роботи пристрою, затримка розповсюдження може зменшуватися з температурою (швидше логічно), і в цьому випадку пристрій, як кажуть, працює в режимі зворотної залежності температури.

Навіть найосновніший огляд факторів, що беруть участь у переході від нормального до зворотного температурних режимів, виходить за рамки загальної відповіді і вимагає досить глибоких знань фізики напівпровідників. Ця стаття - найпростіший, але повний огляд цих факторів.

Підсумком цієї статті (та іншими посиланнями, які я знайшов в Інтернеті) є те, що зворотна залежність від температури не повинна дотримуватися в використовуваних в даний час технологіях (за винятком, можливо, 22nm finFET, про який я не знайшов даних).

Відповідь - ні.

Головним чином, тому, що комп'ютер - це тактова схема. Якщо процесор або весь комп’ютер перебувають у більш високій температурі, тактова схема не працює швидше. Таким чином, кількість MIPS або FLOPS однакове, незалежно від температури.

Але , як видно в коментарях до ваших запитань, температура може впливати на максимальну тактову частоту, яку підтримує ваш процесор.

Комп'ютери працюють так само швидко, як ви їх годинник. Тому нагрівання комп'ютера, не роблячи іншого, не вплине на обчислювальну потужність, поки він не буде нагрітий доти, доки він не пошкоджений і обчислювальна потужність не перейде до 0.

Запуск комп’ютера використовує електричну енергію, яка розсіюється в комп'ютері як тепло. Кількість використовуваної електроенергії частково пропорційна тактовій частоті. Це означає, що чим гарячіше комп'ютер, тим повільніше вам доведеться його керувати, щоб уникнути критичної точки, при якій він більше не може функціонувати і, можливо, буде пошкоджений постійно.

Ось чому високопродуктивні комп’ютери мають датчики температури. Зовнішній ланцюг працює так швидко, як це можливо, але не перевищує його максимальну робочу температуру. Тому нагрівання одного з цих агрегатів зменшується обчислювальну потужність, оскільки схема керування буде керувати комп'ютером повільніше, оскільки дозволено менше електричної потужності до досягнення максимальної робочої температури.

Я пам’ятаю, що бачив рекламу від Intel про це. Вони демонстрували, що в їх процесорі вбудована схема зондування температури та схема регулювання тактової частоти. Вони показали два комп’ютери, один зі своїм мікросхемою та один із конкурентами, який працює з тією ж програмою з однаковою швидкістю. Тоді вони зняли тепловідводи з обох процесорів. Той із внутрішнім контуром теплового управління сповільнився. Інший тривав деякий час, потім повністю перестав, коли перегрівався.

Основним типом комутаційного елемента в типових комп'ютерах є напівпровідниковий польовий транзистор з оксидом металу. Такі пристрої менш ефективні при пропусканні струму при гарячому, ніж при холодному. Хоча є деякі ситуації, коли така поведінка може бути хорошою справою (наприклад, вона покращує здатність до розподілу навантаження в силових MOSFET), це також означає, що логічним функціям, реалізованим з MOSFET, буде потрібно більше часу для перемикання при більш високих температурах. Оскільки для надійної роботи комп’ютера потрібно, щоб усі схеми, які повинні перемикатися в заданому циклі, встигали зробити це до наступного циклу, комп'ютери, як правило, не можуть працювати так швидко, як при високих температурах.

Крім того, кількість тепла, виробленого комп'ютером з використанням логіки додаткової MOSFET, значною мірою пропорційна фактичній швидкості, з якою він працює. Щоб запобігти пошкодженню від перегріву, ряд процесорів має схему, яка автоматично сповільнюватиме їх, якщо температура перевищить певний поріг. Це, звичайно, суттєво зменшить продуктивність програми, але сповільнення роботи програми може бути кращим, ніж процесник повністю припинити роботу тимчасово або назавжди.