Les ordinateurs accélèrent-ils à des températures plus élevées?

À des températures plus élevées, les ordinateurs seront-ils plus rapides? Évidemment, on veut toujours refroidir un ordinateur car des températures plus élevées peuvent endommager les composants principaux.

Cependant, est-ce une interaction entre le silicium qui, à des températures plus élevées, libérera plus d'électrons et la résistance des composants métalliques qui augmentera avec la température? Ou est-ce négligeable en termes de performances globales de l'ordinateur?

Permet de diviser vos questions en sous-questions:

Ordinateur plus rapide:

La mesure la plus courante de la "vitesse" d'un ordinateur est sa fréquence d'horloge maximale. Cette mesure n'a jamais été exacte ( mythe Megahertz ), mais elle est devenue totalement sans importance ces dernières années après que les processeurs multicœurs sont devenus une norme. Dans les ordinateurs d'aujourd'hui, les meilleures performances sont déterminées par des facteurs beaucoup plus complexes que la fréquence d'horloge maximale (ces facteurs incluent les aspects HW et SW).

Effet de la température sur la fréquence d'horloge:

Cela dit, nous voulons toujours voir comment une température affecte la fréquence d'horloge de l'ordinateur. Eh bien, la réponse est que cela ne l'affecte pas de manière appréciable. L'horloge de l'ordinateur est (généralement) dérivée d'un oscillateur à cristal, qui ne chauffe pas du tout. Cela signifie que la fréquence de l'oscillateur est indépendante de la température. Le signal produit par l'oscillateur est multiplié en fréquence par des PLL. La fréquence de sortie des PLL ne sera pas affectée par la température (en supposant qu'elles ont été conçues correctement), mais le niveau de bruit dans le signal d'horloge des PLL augmentera avec la température.

La discussion ci-dessus conduit à la conclusion suivante: l'augmentation de la température n'augmentera pas la fréquence de l'horloge (d'une quantité appréciable), mais peut conduire à une défaillance logique en raison de l'augmentation du bruit dans le signal d'horloge.

Effet de la température sur la fréquence d'horloge maximale:

La température n'a effectivement aucun effet sur la fréquence prédéfinie de l'horloge. Cependant, peut-être qu'une température plus élevée permet d'utiliser des fréquences plus élevées?

Tout d'abord, vous devez comprendre que les ordinateurs modernes n'ont pas leurs fréquences d'horloge poussées à la limite de la technologie. Cette question a déjà été posée ici .

Ce qui précède signifie que vous pouvez augmenter la fréquence de votre CPU au-dessus de celle qui a été définie par défaut. Cependant, il s'avère que dans ce cas, la température est le facteur limitant, pas un avantage. Deux raisons à cela:

• La résistance des fils augmente avec la température
• Les taux d'électromigration augmentent avec la température

Le premier facteur conduit à une probabilité plus élevée de défaillance logique à des températures élevées (des valeurs logiques incorrectes sont utilisées). Le deuxième facteur conduit à une probabilité plus élevée de défaillance physique à des températures élevées (comme les dommages permanents à un fil conducteur).

Par conséquent, la température est le facteur limitant de la fréquence maximale des processeurs. C'est la raison pour laquelle l'overclocking le plus abusif des processeurs est effectué alors que le processeur est super-refroidi.

Supports thermiquement excités en silicium:

Je crois que vous avez été conduit à de fausses conclusions en pensant que la résistivité du silicium diminue avec la température. Ce n'est pas le cas.

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

De plus, la mobilité des porteurs libres a tendance à diminuer avec la température; par conséquent, au lieu de l'augmentation de la conductivité du silicium, vous observerez probablement une diminution qui entraînera une probabilité plus élevée de défaillance logique.

Conclusion:

La température est le principal facteur limitant de la vitesse des ordinateurs.

Des températures plus élevées des processeurs entraînent également des taux plus élevés de réchauffement climatique, ce qui est très mauvais.

Sujets avancés pour les lecteurs intéressés:

Les réponses ci-dessus, à ma connaissance, sont complètement correctes pour les technologies jusqu'à 32 nm. Cependant, l'image peut être différente pour la technologie finFET 22 nm d'Intel (je n'ai trouvé aucune référence pour ce nouveau processus sur le Web), et elle changera certainement à mesure que les technologies de processus continueront de se réduire.

L'approche habituelle pour comparer la "vitesse" des transistors mis en œuvre à l'aide de différentes technologies est de caractériser le retard de propagation de l'onduleur de taille minimale. Comme ce paramètre dépend du circuit de pilotage et de la charge de l'onduleur lui-même, le retard est calculé lorsque peu d'onduleurs sont connectés en boucle fermée formant un oscillateur en anneau .

Si le retard de propagation augmente avec la température (logique plus lente), l'appareil est censé fonctionner en régime de dépendance à la température normale. Cependant, selon les conditions de fonctionnement de l'appareil, le retard de propagation peut diminuer avec la température (logique plus rapide), auquel cas l'appareil est censé fonctionner en régime de dépendance à la température inverse.

Même l'aperçu le plus élémentaire des facteurs impliqués dans la transition des régimes de température normale à inverse est au-delà de la portée d'une réponse générale et nécessite une connaissance assez approfondie de la physique des semi-conducteurs. Cet article est l'aperçu le plus simple mais complet de ces facteurs.

L'essentiel de l'article ci-dessus (et d'autres références que j'ai trouvées sur le Web) est que la dépendance à la température inverse ne doit pas être observée dans les technologies actuellement utilisées (sauf, peut-être, pour les finFET 22 nm, pour lesquels je n'ai trouvé aucune donnée).

La réponse est non.

Principalement parce qu'un ordinateur est un circuit cadencé. Si le CPU, ou tout l'ordinateur, est à une température plus élevée, le circuit d'horloge ne fonctionnerait pas plus rapidement. Ainsi, le nombre de MIPS ou FLOPS est le même, quelle que soit la température.

Mais , comme on le voit dans les commentaires de vos questions, la température pourrait avoir un effet sur la fréquence d'horloge maximale que votre processeur prendrait en charge.

Les ordinateurs fonctionnent aussi vite que vous les synchronisez. Par conséquent, chauffer un ordinateur sans rien faire d'autre n'affectera pas la puissance de calcul jusqu'à ce qu'il soit chauffé jusqu'à ce qu'il soit endommagé et que la puissance de calcul passe à 0.

Faire fonctionner un ordinateur utilise de l'énergie électrique, qui est dissipée dans l'ordinateur sous forme de chaleur. La quantité d'énergie électrique utilisée est en partie proportionnelle à la vitesse d'horloge. Cela signifie que plus l'ordinateur est chaud, plus vous devez le ralentir pour éviter d'atteindre le point critique où il ne peut plus fonctionner et peut-être être endommagé de façon permanente.

C'est pourquoi les ordinateurs performants disposent de capteurs de température. Un circuit externe horloge l'ordinateur aussi vite que possible, mais pour ne pas dépasser sa température de fonctionnement maximale. Par conséquent, le chauffage de l'une de ces unités diminue la puissance de calcul, car le circuit de gestion thermique ralentit l'ordinateur, car moins d'énergie électrique est autorisée avant d'atteindre sa température de fonctionnement maximale.

Je me souviens avoir vu une publicité d'Intel à ce sujet. Ils montraient que leur processeur avait ce circuit de détection de température et de réglage d'horloge intégré. Ils ont montré deux ordinateurs, un avec leur puce et un avec un concurrent, exécutant le même programme à la même vitesse. Ensuite, ils ont retiré les dissipateurs de chaleur des deux processeurs. Celui avec le circuit de gestion thermique interne a ralenti. L'autre a continué pendant un certain temps, puis s'est complètement arrêté en cas de surchauffe.

Le principal type d'élément de commutation dans les ordinateurs typiques est le transistor à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique. De tels dispositifs sont moins efficaces pour faire passer le courant à chaud qu'à froid. Bien qu'il existe certaines situations où un tel comportement peut être une bonne chose (par exemple, il améliore la capacité de partage de charge des MOSFET de puissance), cela signifie également que les fonctions logiques implémentées avec les MOSFET prendront plus de temps pour commuter à des températures plus élevées. Étant donné que le fonctionnement fiable d'un ordinateur nécessite que tous les circuits censés commuter dans un cycle donné parviennent à le faire avant l'arrivée du cycle suivant, les ordinateurs ne peuvent généralement pas fonctionner aussi rapidement à des températures élevées qu'ils le peuvent à des températures lentes.

De plus, la quantité de chaleur générée par un ordinateur utilisant une logique MOSFET complémentaire est dans une large mesure proportionnelle à la vitesse réelle à laquelle il fonctionne. Pour éviter les dommages causés par la surchauffe, un certain nombre de processeurs ont des circuits qui les ralentissent automatiquement si les températures dépassent un certain seuil. Bien entendu, cela réduira considérablement les performances des applications, mais le ralentissement d'une application peut être préférable à l'arrêt complet ou temporaire du processeur.