コンピューターは高温で高速化しますか？

より高い温度では、コンピューターは速くなりますか？明らかに、温度が高くなるとコアコンポーネントが損傷する可能性があるため、常にコンピューターを冷却する必要があります。

しかし、それはシリコン間の相互作用であり、シリコンはより高い温度でより多くの電子を放出し、金属コンポーネントの抵抗は温度とともに増加しますか？または、これはコンピューターの全体的なパフォーマンスの観点から無視できるでしょうか？

質問をサブ質問に分けましょう：

より高速なコンピューター：

コンピュータの「速度」の最も一般的な尺度は、その最大クロック周波数です。この尺度は決して正確な尺度ではありませんでした（メガヘルツ神話）が、マルチコアプロセッサが標準になった後、近年ではまったく重要ではなくなりました。今日のコンピューターでは、最高のパフォーマンスは、最大クロック周波数よりもはるかに複雑な要因によって決定されます（これらの要因には、ハードウェアとソフトウェアの両方の側面が含まれます）。

クロック周波数に対する温度の影響：

そうは言っても、温度がコンピューターのクロック周波数にどのように影響するかを見たいと思っています。さて、答えは、それが目に見えるほどの影響を与えないということです。コンピューターのクロックは（通常）クリスタルオシレーターから派生し、クリスタルオシレーターはまったく加熱されません。これは、発振器の周波数が温度に依存しないことを意味します。発振器によって生成された信号は、PLLによって周波数が乗算されます。PLLの出力周波数は温度の影響を受けません（適切に設計されていると仮定します）が、PLLのクロック信号のノイズレベルは温度とともに増加します。

上記の説明から次の結論が導き出されます。温度が上昇してもクロックの周波数は（かなりの量だけ）増加することはありませんが、クロック信号のノイズが増加するため、論理的な障害につながる可能性があります。

最大クロック周波数に対する温度の影響：

温度は、クロックの事前定義された周波数に実質的に影響を与えません。しかし、より高い温度ではより高い周波数を使用できますか？

まず、最新のコンピューターはクロックレートがテクノロジーの限界に達していないことを理解する必要があります。この質問はすでにここで尋ねられています。

上記は、CPUの周波数をデフォルトで定義された周波数よりも高くすることができることを意味します。ただし、この場合、温度は利点ではなく制限要因であることがわかります。これには2つの理由があります。

• ワイヤの抵抗は温度とともに増加します
• エレクトロマイグレーション率は温度とともに増加します

最初の要因は、高温での論理的故障の可能性を高めます（誤った論理値が使用されます）。2番目の要因は、高温での物理的な故障の可能性を高めます（導線の永久的な損傷など）。

したがって、温度はプロセッサの最大周波数の制限要因です。これが、プロセッサが過冷却状態にあるときに最も虐待的なプロセッサのオーバークロックが実行される理由です。

シリコンの熱励起キャリア：

シリコンの抵抗率は温度とともに低下するという考えから、間違った結論に導かれたと思います。そうではありません。

熱発生率は実際には温度とともに増加しますが、真性シリコンにはあまり使用されません。業界で使用されるシリコンのほとんどがドープされているという事実は、熱励起キャリアがシリコン中のフリーキャリアのごくわずかな割合を構成することを意味します。したがって、熱励起率が大幅に増加しても、フリーキャリアの密度にはそれほど影響しません。この計算機をチェックして、どの温度で熱的に生成されたキャリアの密度が通常のドーピング濃度に近づくかを調べてください（$\geq 10^{16}cm^{-3}$）-熱発生がシリコンの導電率に影響するずっと前に、プロセッサが燃え尽きます。

さらに、自由キャリアの移動度は温度とともに低下する傾向があります。したがって、シリコンの導電率の増加の代わりに、おそらく論理的障害の可能性が高くなる減少を観察するでしょう。

結論：

温度は、コンピューターの速度を制限する主な要因です。

プロセッサの温度が高くなると、地球温暖化率も高くなりますが、これは非常に悪いことです。

興味のある読者向けの高度なトピック：

上記の回答は、私の知る限りでは、32nmまでのテクノロジーに対して完全に正しいものです。ただし、Intelの22nm finFETテクノロジーでは状況が異なる場合があり（Webでこの最新のプロセスに関する参照は見つかりませんでした）、プロセステクノロジーの縮小が進むにつれて確実に変化します。

さまざまな技術を使用して実装されたトランジスタの「速度」を比較するための通常のアプローチは、最小サイズのインバータの伝播遅延を特性評価することです。このパラメーターは、駆動回路とインバーター自体の負荷に依存するため、リングオシレーターを形成する閉ループで接続されているインバーターがほとんどない場合の遅延が計算されます。

伝搬遅延が温度とともに増加する場合（遅いロジック）、デバイスは通常の温度依存性レジームで動作すると言われます。ただし、デバイスの動作条件によっては、伝搬遅延が温度とともに減少する場合があります（より高速なロジック）。この場合、デバイスは逆温度依存性レジームで動作すると言われています。

常温から逆温度への移行に関与する要因の最も基本的な概要でさえ、一般的な答えの範囲を超えており、半導体物理学のかなり深い知識が必要です。この記事は、これらの要因の最も簡単かつ完全な概要です。

上記の記事（およびWebで見つけた他の参考文献）の一番下の行は、現在使用されている技術では逆温度依存性を観察すべきではないということです（ただし、データが見つからない22nm finFETを除く）。

答えはいいえだ。

主にコンピューターはクロック回路であるためです。CPUまたはコンピューター全体の温度が高い場合、クロック回路は高速に動作しません。したがって、温度に関係なく、MIPSまたはFLOPSの数は同じです。

しかし、質問のコメントに見られるように、温度はCPUがサポートする最大クロックレートに影響する可能性があります。

コンピューターは、時計と同じ速度で動作します。したがって、他に何もせずにコンピューターを加熱しても、コンピューターが損傷して計算能力が0になるまで加熱されるまで、計算能力には影響しません。

コンピューターの実行には電力が使用されますが、電力はコンピューターで熱として消費されます。使用される電力量は、クロック速度に一部比例します。これは、コンピューターが高温になればなるほど、コンピューターが機能しなくなる可能性があり、永久に損傷を受ける可能性のある臨界点に到達するのを避けるために、クロックを遅くする必要があることを意味します。

これが、高性能のコンピューターに温度センサーがある理由です。外部回路はコンピューターを可能な限り高速にクロックしますが、最大動作温度を超えないようにします。したがって、これらのユニットのいずれかを加熱します減少しますすると、最大動作温度に達する前に許可される電力が少なくなるため、熱管理回路がコンピューターのクロックを遅くするため、計算能力します。

これについて、Intelのコマーシャルを見たことを覚えています。彼らは、プロセッサにこの温度検知とクロック調整回路が組み込まれていることを誇示していました。彼らは2台のコンピューターを見せました。1台はチップを搭載し、もう1台は競合他社のものを搭載し、同じプログラムを同じ速度で実行していました。次に、ヒートシンクを両方のプロセッサから取り外しました。内部熱管理回路を備えたものは減速しました。もう1つはしばらく続き、過熱すると完全に終了しました。

典型的なコンピューターのスイッチング素子の主要なタイプは、金属酸化物半導体電界効果トランジスターです。このようなデバイスは、寒いときよりも熱いときの方が電流を流す効果が低くなります。このような動作が良いことになる場合もありますが（たとえば、パワーMOSFETの負荷共有能力が向上する場合）、MOSFETで実装されたロジック機能は、高温での切り替えに時間がかかることも意味します。コンピューターの信頼性の高い動作には、特定のサイクルで切り替わるすべての回路が次のサイクルに到達する前に切り替わることが必要であるため、コンピューターは通常、低温で可能な限り高速で動作できません。

さらに、コンプリメンタリMOSFETロジックを使用するコンピューターによって生成される熱量は、コンピューターが動作する実際の速度に大きく比例します。過熱による損傷を防ぐため、多くのプロセッサには、温度が特定のしきい値を超えると自動的に速度を落とす回路が搭載されています。もちろん、これはアプリケーションのパフォーマンスを大幅に削減しますが、アプリケーションの速度を低下させる方が、プロセッサを一時的または永続的に完全に停止させるよりも優れている場合があります。