Beschleunigen Computer bei höheren Temperaturen?

Lassen Sie uns Ihre Fragen in Teilfragen unterteilen:

Schneller Rechner:

Das gebräuchlichste Maß für die "Geschwindigkeit" eines Computers ist seine maximale Taktfrequenz. Dieses Maß war nie genau ( Megahertz-Mythos ), aber es wurde in den letzten Jahren völlig unwichtig, nachdem Multi-Core-Prozessoren zum Standard wurden. In heutigen Computern wird die Spitzenleistung von viel komplexeren Faktoren als nur der maximalen Taktfrequenz bestimmt (diese Faktoren umfassen sowohl HW- als auch SW-Aspekte).

Auswirkung der Temperatur auf die Taktfrequenz:

Gesagt, dass wir noch sehen wollen, wie sich eine Temperatur auf die Taktfrequenz des Computers auswirkt. Nun, die Antwort ist, dass es sie in keiner nennenswerten Weise beeinflusst. Der Takt für den Computer wird (normalerweise) von einem Quarzoszillator abgeleitet, der sich überhaupt nicht erwärmt. Das bedeutet, dass die Frequenz des Oszillators unabhängig von der Temperatur ist. Das vom Oszillator erzeugte Signal wird durch PLLs frequenzvervielfacht. Die Ausgangsfrequenz der PLLs wird nicht durch die Temperatur beeinflusst (vorausgesetzt, sie wurden richtig konstruiert), aber der Rauschpegel im Taktsignal der PLLs steigt mit der Temperatur.

Die obige Diskussion führt zu der folgenden Schlussfolgerung: Die Temperaturerhöhung wird die Frequenz des Takts nicht (um einen nennenswerten Betrag) erhöhen, kann aber aufgrund des erhöhten Rauschens im Taktsignal zu einem logischen Fehler führen.

Auswirkung der Temperatur auf die maximale Taktfrequenz:

Die Temperatur hat praktisch keinen Einfluss auf die vordefinierte Frequenz der Uhr. Aber vielleicht erlaubt eine höhere Temperatur die Verwendung höherer Frequenzen?

Zunächst einmal müssen Sie verstehen, dass moderne Computer ihre Taktraten nicht an die Grenzen der Technik bringen. Diese Frage wurde hier schon gestellt .

Das Obige bedeutet, dass Sie die Frequenz Ihrer CPU über die standardmäßig definierte hinaus erhöhen können. Es stellt sich jedoch heraus, dass in diesem Fall die Temperatur der limitierende Faktor ist, kein Vorteil. Zwei Gründe dafür:

• Der Widerstand der Drähte steigt mit der Temperatur
• Die Elektromigrationsraten nehmen mit der Temperatur zu

Der erste Faktor führt zu einer höheren Wahrscheinlichkeit eines logischen Ausfalls bei hohen Temperaturen (Verwendung falscher logischer Werte). Der zweite Faktor führt zu einer höheren Wahrscheinlichkeit eines physikalischen Ausfalls bei hohen Temperaturen (wie eine dauerhafte Beschädigung eines leitenden Drahts).

Daher ist die Temperatur der begrenzende Faktor für die maximale Frequenz von Prozessoren. Dies ist der Grund, warum die missbräuchlichste Übertaktung von Prozessoren durchgeführt wird, während der Prozessor unterkühlt ist.

Thermisch angeregte Ladungsträger in Silizium:

Ich glaube, dass Sie durch den Gedanken, dass der spezifische Widerstand von Silizium mit der Temperatur abnimmt, zu falschen Schlussfolgerungen geführt wurden. Das ist nicht der Fall.

Während die Wärmeerzeugungsrate tatsächlich mit der Temperatur zunimmt, hat intrinsisches Silizium keinen großen Nutzen. Die Tatsache, dass das meiste in der Industrie verwendete Silizium dotiert ist, bedeutet, dass die thermisch angeregten Ladungsträger einen vernachlässigbaren Bruchteil der freien Ladungsträger in Silizium umfassen; daher wird selbst ein enormer Anstieg der thermischen Anregungsraten die Dichte der freien Ladungsträger nicht merklich beeinflussen. Schauen Sie sich diesen Rechner an und versuchen Sie herauszufinden, bei welchen Temperaturen die Dichte der thermisch erzeugten Ladungsträger sich den üblichen Dotierungskonzentrationen annähert ($\geq 10^{16}cm^{-3}$) - Ihr Prozessor brennt aus, lange bevor die Wärmeerzeugung die Leitfähigkeit von Silizium beeinträchtigt.

Darüber hinaus neigt die Mobilität freier Ladungsträger dazu, mit der Temperatur abzunehmen; Daher werden Sie anstelle der Erhöhung der Leitfähigkeit von Silizium wahrscheinlich eine Abnahme beobachten, die zu einer höheren Wahrscheinlichkeit eines logischen Fehlers führt.

Fazit:

Die Temperatur ist der Hauptbegrenzungsfaktor für die Geschwindigkeit von Computern.

Höhere Temperaturen von Prozessoren führen auch zu höheren Raten der globalen Erwärmung, was sehr schlimm ist.

Fortgeschrittene Themen für interessierte Leser:

Die obigen Antworten sind nach meinem besten Wissen für Technologien bis hinunter zu 32 nm völlig korrekt. Bei Intels 22-nm-FinFET-Technologie sieht das Bild jedoch möglicherweise anders aus (ich habe keine Referenzen für diesen neuesten Prozess im Internet gefunden), und es wird sich sicherlich ändern, wenn die Prozesstechnologien weiter verkleinert werden.

Der übliche Ansatz zum Vergleichen der "Geschwindigkeit" von Transistoren, die unter Verwendung verschiedener Technologien implementiert sind, besteht darin, die Ausbreitungsverzögerung des Inverters minimaler Größe zu charakterisieren. Da dieser Parameter von der Treiberschaltung und der Last des Wechselrichters selbst abhängt, wird die Verzögerung berechnet, wenn wenige Wechselrichter in einer geschlossenen Schleife verbunden sind, die einen Ringoszillator bildet .

Wenn die Ausbreitungsverzögerung mit der Temperatur zunimmt (langsamere Logik), arbeitet das Gerät im normalen Temperaturabhängigkeitsregime. Abhängig von den Betriebsbedingungen des Geräts kann die Ausbreitungsverzögerung jedoch mit der Temperatur abnehmen (schnellere Logik). In diesem Fall arbeitet das Gerät im umgekehrten Temperaturabhängigkeitsregime.

Selbst der grundlegendste Überblick über die Faktoren, die am Übergang von normalen zu umgekehrten Temperaturregimen beteiligt sind, geht über den Rahmen einer allgemeinen Antwort hinaus und erfordert ziemlich tiefgreifende Kenntnisse der Halbleiterphysik. Dieser Artikel ist die einfachste und dennoch vollständige Übersicht über diese Faktoren.

Die Quintessenz des obigen Artikels (und anderer Referenzen, die ich im Internet gefunden habe) ist, dass eine umgekehrte Temperaturabhängigkeit in derzeit verwendeten Technologien nicht beobachtet werden sollte (außer vielleicht für 22-nm-FinFET, für die ich keine Daten gefunden habe).

Der Haupttyp von Schaltelementen in typischen Computern ist der Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Solche Geräte sind weniger effektiv beim Durchleiten von Strom, wenn sie heiß sind, als wenn sie kalt sind. Während es einige Situationen gibt, in denen ein solches Verhalten eine gute Sache sein kann (z. B. es verbessert die Lastverteilungsfähigkeit von Leistungs-MOSFETs), bedeutet es auch, dass mit MOSFETs implementierte Logikfunktionen länger brauchen, um bei höheren Temperaturen zu schalten. Da ein zuverlässiger Betrieb eines Computers erfordert, dass alle Schaltkreise, die in einem gegebenen Zyklus umschalten sollen, dies vor Eintreffen des nächsten Zyklus schaffen, können Computer im Allgemeinen bei hohen Temperaturen nicht so schnell arbeiten wie bei niedrigen Temperaturen.

Darüber hinaus ist die von einem Computer mit komplementärer MOSFET-Logik erzeugte Wärmemenge weitgehend proportional zu der tatsächlichen Geschwindigkeit, mit der er läuft. Um Schäden durch Überhitzung zu vermeiden, verfügen einige Prozessoren über Schaltkreise, die sie automatisch verlangsamen, wenn die Temperaturen einen bestimmten Schwellenwert überschreiten. Dies wird natürlich die Anwendungsleistung stark einschränken, aber es kann besser sein, eine Anwendung zu verlangsamen, als den Prozessor entweder vorübergehend oder dauerhaft vollständig einzustellen.

Die Antwort ist nein.

Hauptsächlich, weil ein Computer eine getaktete Schaltung ist. Wenn die CPU oder der gesamte Computer eine höhere Temperatur hat, würde die Taktschaltung nicht schneller laufen. Somit ist die Anzahl der MIPS oder FLOPS unabhängig von der Temperatur gleich.

Aber wie aus den Kommentaren zu Ihren Fragen hervorgeht, könnte sich die Temperatur auf die maximale Taktrate auswirken, die Ihre CPU unterstützen würde.

Computer laufen so schnell, wie Sie sie takten. Daher wirkt sich das Erhitzen eines Computers, ohne etwas anderes zu tun, nicht auf die Rechenleistung aus, bis er so weit erhitzt ist, dass er beschädigt ist und die Rechenleistung auf 0 geht.

Der Betrieb eines Computers verbraucht elektrische Energie, die im Computer als Wärme abgegeben wird. Die verbrauchte elektrische Energiemenge ist teilweise proportional zur Taktgeschwindigkeit. Das bedeutet, je heißer der Computer ist, desto langsamer muss man ihn takten, um nicht den kritischen Punkt zu erreichen, an dem er nicht mehr funktionieren und möglicherweise dauerhaft beschädigt werden kann.

Deshalb haben Hochleistungscomputer Temperatursensoren. Eine externe Schaltung taktet den Computer so schnell wie möglich, aber um seine maximale Betriebstemperatur nicht zu überschreiten. Daher verringert das Erhitzen einer dieser Einheiten die Rechenleistung, da die Wärmemanagementschaltung den Computer langsamer taktet, da weniger elektrische Leistung zugelassen wird, bevor er seine maximale Betriebstemperatur erreicht.

Ich erinnere mich, dass ich diesbezüglich einen Werbespot von Intel gesehen habe. Sie gaben damit an, dass ihr Prozessor diese Temperaturerfassungs- und Taktanpassungsschaltung eingebaut hatte. Sie zeigten zwei Computer, einen mit ihrem eigenen Chip und einen mit dem eines Konkurrenten, auf denen das gleiche Programm mit der gleichen Geschwindigkeit lief. Dann entfernten sie die Kühlkörper von beiden Prozessoren. Der mit der internen Wärmemanagementschaltung wurde langsamer. Der andere hat noch eine Weile weitergemacht und dann komplett aufgehört, als er überhitzt war.