¿Por qué el aumento de voltaje aumenta el rendimiento del procesador?

Una CPU es, en su raíz, una secuencia extremadamente grande de FET que se conducen entre sí en combinaciones complejas. Estos FET tienen un gran número de estados posibles, solo algunos de los cuales son válidos. Cada ciclo de reloj, el procesador debe pasar de un estado válido al estado válido correcto subsiguiente. Los FET se organizan de manera tal que comienzan a cambiar de un estado al siguiente solo en el borde del reloj. Pero si un FET controla otro, ¡eso significa que el FET tiene que completar su transición antes de que el FET de carga pueda comenzar!

Esto es un retraso de propagación, y la cadena más larga de retrasos de propagación en el sistema determina su frecuencia máxima de reloj. Debe asegurarse de que para cuando llegue el próximo límite del reloj, todos los FET en todas partes hayan completado todas las transiciones que vayan a ocurrir. De lo contrario, terminará con su chip en un estado no válido o incorrecto, y todas las apuestas para una operación correcta estarán desactivadas.

Por lo tanto, el período mínimo de reloj (y, por lo tanto, la frecuencia máxima) es una función de la ruta de propagación más larga en el chip y del tiempo que tardan en cambiar los transistores individuales en esa ruta. No puede cambiar la ruta de propagación una vez que el dado está grabado, pero puede cambiar el tiempo que tarda un transistor en cambiar. Al igual que con cualquier FET, el tiempo de conmutación se ve afectado directamente por el tiempo que tarda la capacidad de la compuerta en cargar. Dado que la capacitancia es fija, un voltaje más alto a través del mismo FET da como resultado un mayor flujo de corriente y una tasa de carga más rápida. Por lo tanto, aumentar la tensión del riel del procesador puede aumentar la velocidad de conmutación.

Por supuesto, el inconveniente es que a voltajes más altos, la pérdida de conmutación de los FET también aumenta, más que las ganancias de los tiempos de conmutación más rápidos hacen que disminuya. Por lo tanto, un mayor voltaje da como resultado un aumento de la temperatura de funcionamiento, lo que también puede afectar el tiempo de conmutación de los FET y, en última instancia, dañar el chip.

También, quantum wibbly-wobbly efectos puede hacer que el chip se comporte de manera poco confiable.

Sin entrar en detalles cuando diseñas un chip, pasas mucho tiempo haciendo análisis de tiempo entre todas las pequeñas rutas lógicas y de señal a cada celda dentro del chip. Solo puede ejecutar un chip tan rápido como cumpla con este tiempo sin obtener errores.

Esta velocidad máxima también se ve afectada por: proceso, temperatura y voltaje. Por lo tanto, ya sea por diseño o intentando aumentar el voltaje para aumentar el rendimiento.

El aumento del voltaje del núcleo eleva el voltaje a cada celda del chip y esto disminuye el retardo de la hélice a través de esa celda que, en efecto, hace que las rutas sean más rápidas. Luego puede aumentar la frecuencia de reloj por separado para ver si su chip aún funciona sin errores a esta velocidad.

Por supuesto, también puede interrumpir la sincronización de esta manera o romper su chip dañándolo con un voltaje excesivo o una temperatura excesiva.

Tu proceso y tu temperatura también afectarán las cosas, por lo que puedes tener suerte y obtener un chip que ya puede correr más rápido de lo que es cronometrado, o desafortunado y tener uno ya a una velocidad máxima.

Antes de tiempo, las personas también enfriarían las fichas para que funcionen más rápido, pero ahora, en los nodos de proceso más pequeños, tenemos una inversión de temperatura para que funcionen más rápido.