Werden Computer bei höheren Temperaturen schneller? Offensichtlich möchte man einen Computer immer abkühlen, da höhere Temperaturen die Kernkomponenten beschädigen können.
Handelt es sich jedoch um ein Wechselspiel zwischen Silizium, das bei höheren Temperaturen mehr Elektronen freisetzt, und dem Widerstand der Metallkomponenten, der mit der Temperatur zunimmt? Oder ist dies in Bezug auf die Gesamtleistung des Computers vernachlässigbar?
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Mark Ramotowski
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Antworten:
Teilen wir Ihre Fragen in Unterfragen auf:
Schneller Computer:
Das gebräuchlichste Maß für die "Geschwindigkeit" eines Computers ist seine maximale Taktfrequenz. Diese Maßnahme war noch nie genau ( Megahertz-Mythos ), hat sich jedoch in den letzten Jahren als unwichtig erwiesen, nachdem Multi-Core-Prozessoren zum Standard wurden. In heutigen Computern wird die Spitzenleistung durch viel komplexere Faktoren als nur die maximale Taktfrequenz bestimmt (diese Faktoren umfassen sowohl HW- als auch SW-Aspekte).
Einfluss der Temperatur auf die Taktfrequenz:
Gesagt, wir wollen immer noch sehen, wie sich eine Temperatur auf die Taktfrequenz des Computers auswirkt. Nun, die Antwort ist, dass es sie in keiner nennenswerten Weise beeinflusst. Die Uhr für den Computer wird (normalerweise) von einem Quarzoszillator abgeleitet, der sich überhaupt nicht erwärmt. Dies bedeutet, dass die Frequenz des Oszillators unabhängig von der Temperatur ist. Das vom Oszillator erzeugte Signal wird mit der Frequenz der PLLs multipliziert. Die Ausgangsfrequenz der PLLs wird nicht von der Temperatur beeinflusst (vorausgesetzt, sie wurden ordnungsgemäß ausgelegt), aber der Rauschpegel im Taktsignal der PLLs steigt mit der Temperatur.
Die obige Diskussion führt zu der folgenden Schlussfolgerung: Die Erhöhung der Temperatur erhöht die Frequenz der Uhr nicht (um einen nennenswerten Betrag), sondern kann zu einem logischen Fehler aufgrund eines erhöhten Rauschens im Taktsignal führen.
Einfluss der Temperatur auf die maximale Taktfrequenz:
Die Temperatur hat praktisch keinen Einfluss auf die voreingestellte Frequenz der Uhr. Ermöglicht eine höhere Temperatur jedoch die Verwendung höherer Frequenzen?
Zuallererst müssen Sie verstehen, dass die Taktraten moderner Computer nicht an die Grenzen der Technologie gebracht werden. Diese Frage wurde bereits gefragt hier .
Dies bedeutet, dass Sie die Frequenz Ihrer CPU über die Standardfrequenz erhöhen können. Es stellt sich jedoch heraus, dass in diesem Fall die Temperatur der begrenzende Faktor ist und kein Vorteil. Zwei Gründe dafür:
Der erste Faktor führt zu einer höheren Wahrscheinlichkeit eines logischen Ausfalls bei hohen Temperaturen (falsche logische Werte werden verwendet). Der zweite Faktor führt zu einer höheren Wahrscheinlichkeit eines physischen Versagens bei hohen Temperaturen (wie einer dauerhaften Beschädigung eines leitenden Drahtes).
Daher ist die Temperatur der begrenzende Faktor für die maximale Frequenz des Prozessors. Dies ist der Grund, warum das missbräuchlichste Übertakten von Prozessoren durchgeführt wird, während der Prozessor unterkühlt ist.
Thermisch angeregte Ladungsträger in Silizium:
Ich glaube, Sie wurden zu den falschen Schlussfolgerungen geführt, weil der spezifische Widerstand von Silizium mit der Temperatur abnimmt. Das ist nicht der Fall.
Darüber hinaus neigt die Mobilität freier Träger dazu, mit der Temperatur abzunehmen; Anstelle der Zunahme der Leitfähigkeit von Silizium werden Sie daher wahrscheinlich eine Abnahme beobachten, die zu einer höheren Wahrscheinlichkeit eines logischen Ausfalls 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 schlecht ist.
Fortgeschrittene Themen für interessierte Leser:
Die obigen Antworten sind meines Wissens für Technologien bis zu 32 nm völlig korrekt. Bei der 22-nm-FinFET-Technologie von Intel kann das Bild jedoch anders aussehen (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 Wechselrichters minimaler Größe zu charakterisieren. Da dieser Parameter von der Ansteuerschaltung und der Last des Wechselrichters selbst abhängt, wird die Verzögerung berechnet, wenn nur wenige Wechselrichter in einem geschlossenen Regelkreis zu einem Ringoszillator verbunden sind .
Wenn die Ausbreitungsverzögerung mit der Temperatur zunimmt (langsamere Logik), wird davon ausgegangen, dass das Gerät im normalen temperaturabhängigen Regime arbeitet. 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 beim Übergang von normalen zu umgekehrten Temperaturbereichen eine Rolle spielen, ist nicht allgemein zu beantworten und erfordert ziemlich genaue Kenntnisse der Halbleiterphysik. Dieser Artikel ist die einfachste und vollständigste Übersicht über diese Faktoren.
Das Fazit des obigen Artikels (und anderer Referenzen, die ich im Internet gefunden habe) ist, dass die umgekehrte Temperaturabhängigkeit in derzeit verwendeten Technologien nicht beobachtet werden sollte (außer vielleicht für 22-nm-FinFETs, für die ich keine Daten gefunden habe).
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Die Antwort ist nein.
Hauptsächlich, weil ein Computer eine getaktete Schaltung ist. Wenn sich die CPU oder der gesamte Computer auf einer höheren Temperatur befindet, würde die Taktschaltung nicht schneller laufen. Somit ist die Anzahl der MIPS oder FLOPS unabhängig von der Temperatur gleich.
Aber , wie in den Kommentaren Ihrer Fragen zu sehen ist , könnte die Temperatur einen Effekt auf die maximale Taktrate hat , dass Ihr CPU unterstützen würde.
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Computer laufen so schnell, wie Sie sie takten. Wenn Sie einen Computer erwärmen, ohne etwas anderes zu tun, wird die Rechenleistung erst dann beeinträchtigt, wenn er so weit erwärmt wird, dass er beschädigt ist und die Rechenleistung auf 0 sinkt.
Der Betrieb eines Computers verbraucht elektrischen Strom, der im Computer als Wärme abgeführt wird. Die Menge an verbrauchter elektrischer Energie ist teilweise proportional zur Taktgeschwindigkeit. Dies bedeutet, je heißer der Computer ist, desto langsamer müssen Sie ihn takten, um zu vermeiden, dass der kritische Punkt erreicht wird, an dem er nicht mehr funktioniert und möglicherweise dauerhaft beschädigt wird.
Aus diesem Grund verfügen Hochleistungs-Comuputer über Temperatursensoren. Ein externer Schaltkreis taktet den Computer so schnell wie möglich, ohne jedoch seine maximale Betriebstemperatur zu überschreiten. Daher verringert das Erwärmen einer dieser Einheiten die Rechenleistung, da der Wärmemanagementkreis den Computer langsamer taktet, da weniger elektrische Leistung zulässig ist, bevor er seine maximale Betriebstemperatur erreicht.
Ich erinnere mich, dass ich einen Werbespot von Intel darüber gesehen habe. Sie zeigten, dass in ihrem Prozessor diese Schaltung zur Temperaturerfassung und Uhreinstellung eingebaut war. Sie zeigten zwei Computer, einen mit ihrem Chip und einen mit dem eines Konkurrenten, auf denen dasselbe Programm mit derselben Geschwindigkeit ausgeführt wurde. Dann nahmen sie die Kühlkörper von beiden Prozessoren. Der mit dem internen Wärmemanagement-Kreislauf hat sich verlangsamt. Der andere ging eine Weile weiter und hörte dann ganz auf, wenn es überhitzt war.
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Der Haupttyp des Schaltelements in typischen Computern ist der Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor. Solche Geräte leiten im heißen Zustand weniger effektiv Strom als im kalten Zustand. Es gibt zwar Situationen, in denen ein solches Verhalten von Vorteil sein kann (z. B. verbessert es die Lastverteilungsfähigkeit von Leistungs-MOSFETs), es bedeutet jedoch auch, dass das Schalten von mit MOSFETs implementierten Logikfunktionen bei höheren Temperaturen länger dauert. Da ein zuverlässiger Betrieb eines Computers voraussetzt, dass alle Schaltkreise, die in einem bestimmten Zyklus schalten sollen, dies tun, bevor der nächste Zyklus eintrifft, können Computer bei hohen Temperaturen im Allgemeinen nicht so schnell arbeiten wie bei langsamen Temperaturen.
Darüber hinaus ist die Wärmemenge, die ein Computer mit komplementärer MOSFET-Logik erzeugt, weitgehend proportional zur tatsächlichen Geschwindigkeit, mit der er läuft. Um eine Überhitzung des Geräts zu vermeiden, sind einige Prozessoren mit Schaltkreisen ausgestattet, die das Gerät automatisch abbremsen, wenn die Temperaturen einen bestimmten Grenzwert überschreiten. Dies wird natürlich die Anwendungsleistung erheblich einschränken, aber eine verlangsamte Anwendung ist möglicherweise besser, als wenn der Prozessor den Betrieb vorübergehend oder dauerhaft vollständig einstellt.
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