¿Se puede aumentar la velocidad de una CPU actualizando (físicamente) el reloj de la CPU?

  

Leí en algún [...] lugar que el factor limitante real es la velocidad de viaje de los electrones en los circuitos, que no se alcanzará hasta tasas de THz extremadamente altas, o muy por encima de PHz.

Pura ficción. La velocidad de viaje del electrón en sí es relativamente baja. La velocidad de viaje de onda electromagnética , que es la interesante, está en el orden de la velocidad de la luz. A 1 THz, o en 1 ps (picosegundo, 1e-12s), su señal viajará solo 0,3 mm.

  

lo que me impediría acelerar una CPU si reemplazo el reloj

La ruta crítica evitaría que supere una cierta frecuencia que generalmente no es mucho más alta de lo especificado. En pocas palabras, esta es la ruta de la señal que lleva más tiempo, pero debe terminarse en un ciclo de reloj. Una vez que aumenta la velocidad del reloj por encima de ese límite, la CPU ya no funcionará correctamente.

¿De verdad? Nunca se le ocurrió que si todo lo que tenía que hacer era aumentar la frecuencia del reloj para hacer que un procesador funcionara más rápido, alguien ya lo habría hecho. ¿De verdad crees que Intel y otros con miles de ingenieros que observaron este problema no se dieron cuenta de que todo lo que tenían que hacer era aumentar la frecuencia del reloj en lugar de gastar unos pocos 100 G $ en una nueva fábrica? Duh!

No, no funciona de esa manera, obviamente.

Primero, los electrones en realidad viajan muy lentamente en conductores eléctricos. Sin embargo, eso no importa. Lo que importa es la velocidad de propagación.

Segundo, la velocidad de propagación de la señal no es el factor limitante en los procesadores modernos. Detente y en realidad piensa en ello. ¿Cuál es la velocidad de la luz? Incluso calcular la velocidad de propagación de la señal es la mitad que debido a la impedancia de la línea de transmisión, ¿cuánto tiempo le tomará a una señal cruzar el dado? No, en realidad ir a averiguarlo.

Los límites reales de la lógica digital de vanguardia de hoy en día provienen de tener que cargar y descargar la capacitancia inevitable en cualquier conductor con el que esté intentando cambiar el voltaje y el tiempo de reacción de los semiconductores. Ambos causan un retraso desde el inicio hasta que la entrada de una puerta se acciona hasta que la salida alcanza el umbral donde los circuitos descendentes lo interpretarán de manera confiable como el nivel alto o bajo previsto. Cada puerta individual puede ser bastante rápida, demorando menos de un ns. Sin embargo, hacer cosas significativas en un procesador puede llevar a cabo varias etapas sucesivas de puertas.

Gran parte del diseño del procesador de alto rendimiento está reduciendo los retrasos de puerta en el peor de los casos. A menudo, el retraso más corto se puede compensar con complejidad.

Por ejemplo, mira un sumador básico. Cada etapa toma los dos bits que se agregarán, el acarreo de la etapa anterior, y produce el bit de salida y el acarreo que se pasa a la siguiente etapa. En un sumador básico, el retardo de puerta por lo tanto aumenta con el número de bits. Los bits más altos no se pueden agregar hasta que el transporte desde los bits más bajos esté disponible. Este sumador básico también se denomina sumador ripple carry . Hay otros tipos de complementos que tienen lookahead carry . Estos toman más puertas, pero pueden agregar dos grandes números más rápido. Por supuesto, más puertas significan más costos y más consumo de energía, lo que significa más enfriamiento requerido, etc. Nada es gratis. Este mismo principio de más puertas para hacer las cosas más rápido se aplica en muchos lugares.

Luego hay otras cosas, como la memoria, que a veces funcionan con un principio diferente al de las puertas y también tienen sus tiempos de demora inherentes.

Volviendo a la pregunta original, el punto es que todas estas puertas funcionan con algún retraso mínimo desde que las entradas son estables hasta que se garantiza que las salidas son correctas. Una forma de garantizar esto es enclavar las entradas en un borde de reloj, y luego no usar las salidas hasta un borde de reloj posterior. Las personas que diseñan el procesador deciden con mucho cuidado qué tan rápido se puede medir en función del rango de temperatura y voltaje para que todas las compuertas tengan las respuestas correctas en el momento en que se usen esas respuestas.

Otro factor limitante es poder deshacerse del calor. Todas esas pequeñas capacidades parásitas que se cargan y descargan causan una corriente proporcional a la frecuencia de carga y descarga. Esto significa que los relojes más rápidos causan una corriente más alta, lo que causa más calor, que debe eliminarse de manera segura para que el chip aún funcione. El silicio deja de ser un semiconductor a unos 150 ° C y, por supuesto, necesita un margen por debajo. Si las puertas están empacadas demasiado cerca, cronometrarlas demasiado rápido causaría que se calienten demasiado para funcionar dentro de su capacidad para eliminar el calor. Esta es la razón por la que, en algunos casos, puede hacer overclocking en algunos procesadores enfriándolos más de lo previsto. Tenga en cuenta que esto solo aborda uno de los factores limitantes, por lo que no puede seguir haciendo overclocking en un procesador sin importar cuánto pueda enfriarlo.

De todos modos, la velocidad de reloj máxima de cualquier procesador es un tema complejo. No, no puedes hacerlo más rápido para que funcione más rápido y aún así funcione, y no, el factor limitante tiene poco que ver con la rapidez con que viajan los electrones.

Además de lo que otros dicen, la propagación de electrones SÍ importa, pero no en circuitos completos sino en los transistores en sí. Tan pronto como la onda electromagnética alcanza un transistor, DEBE mover los electrones (Eso es todo el punto de un transistor) y esos pueden ser lentos. Es por eso que, por ejemplo, la tecnología de NMOS fue más rápida que la PMOS y la CMOS de la era (alrededor de 1970/80), porque a medida que los electrones son más rápidos que los orificios (portadores), el transistor de tipo p (usado en cmos) ralentizó la propagación de la señal. Las ventajas de CMOS eran tan grandes que se utilizaron de todos modos, y la solución vino con la miniaturización de los transistores. Existe una relación entre los costos de retardo de la ruta y el tamaño del transistor y, por lo general, dos procesadores, si se realizan en diferentes tecnologías de nodos, mostrarán diferentes velocidades de reloj. Los transistores más pequeños son caminos más cortos para que fluyan los electrones. Cuando este flujo alcance las interconexiones metálicas, las velocidades aumentarán en consecuencia, de modo que el factor limitante sigue siendo los transistores que forman el circuito del procesador. Entonces, sí, la velocidad del flujo de electrones es el factor limitante para los relojes del procesador.

Además de eso, los transistores CMOS utilizan un óxido metálico entre la puerta y el canal, lo que efectivamente compensa un capacitor (y hace que la impedancia de entrada sea bastante alta). La capacitancia intrínseca entre la puerta y el canal retrasa la velocidad a la que cambiará el transistor, y esto también se suma a los retrasos de ruta que establecerán la velocidad máxima de reloj de un procesador o dispositivo digital.