2. Voltaje y potencia
El voltaje es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. La potencia es la tasa de energía eléctrica consumida o emitida por un dispositivo. El voltaje y la potencia están estrechamente relacionados con la velocidad de la CPU. Cuanto mayor sea el voltaje aplicado a la CPU, más fuerte será la corriente eléctrica que fluye en la CPU.
Cuanto más fuerte sea la corriente eléctrica que fluye en la CPU, más rápido puede cambiar la CPU de un estado a otro. Cuanto más rápido pueda cambiar la CPU de un estado a otro, mayor será la velocidad de reloj que puede alcanzar la CPU. Por lo tanto, el voltaje afecta positivamente la velocidad de la CPU.
Sin embargo, el voltaje también afecta negativamente a la velocidad de la CPU. Cuanto mayor sea el voltaje aplicado a la CPU, mayor será la energía consumida por la CPU. Cuanto mayor sea la energía consumida por la CPU, mayor será el calor generado por la CPU.
Cuanto mayor sea el calor generado por la CPU, mayor será la temperatura que debe manejar la CPU. Cuanto mayor sea la temperatura que tenga que manejar la CPU, mayor será el riesgo de daño o falla que puede ocurrir a la CPU. Por lo tanto, el voltaje afecta negativamente la velocidad de la CPU.
3. Enfriamiento
El enfriamiento es el proceso de reducir la temperatura de un objeto o sistema. La refrigeración está estrechamente relacionada con la velocidad de la CPU. Cuanto mejor sea la refrigeración proporcionada a la CPU, menor será la temperatura que debe soportar la CPU.
Cuanto más baja sea la temperatura que tiene que manejar la CPU, menor será el riesgo de daños o fallas que puede ocurrir en la CPU. Cuanto menor sea el riesgo de daño o falla que pueda ocurrir a la CPU, mayor será la velocidad de reloj que puede alcanzar la CPU. Por lo tanto, la refrigeración tiene un efecto positivo en la velocidad de la CPU.
Sin embargo, la refrigeración también afecta negativamente a la velocidad de la CPU. Cuanto mejor sea la refrigeración proporcionada a la CPU, mayor será el coste de construir y ejecutar el sistema de refrigeración.
Cuanto mayor sea el coste de construir y ejecutar un sistema de refrigeración, mayor será la carga que deben soportar los fabricantes y consumidores de CPU. Por lo tanto, la refrigeración afecta negativamente a la velocidad de la CPU.
Desafíos en el aumento de la velocidad de la CPU
A partir de los factores que afectan la velocidad de la CPU, se puede ver que hay varios desafíos que enfrentan los ingenieros y científicos para aumentar la velocidad de la CPU. Estos desafíos incluyen:
1. Límites físicos
Los límites físicos son limitaciones determinadas por las leyes de la física. Los límites físicos relacionados con la velocidad de la CPU son el tamaño del transistor, el voltaje y el calor. El tamaño del transistor no se puede reducir continuamente sin causar problemas. Un problema que puede surgir es el efecto túnel cuántico, que es un fenómeno en el que los electrones pueden cruzar transistores sin verse obstaculizados por posibles obstáculos.
El efecto túnel cuántico puede hacer que los transistores se vuelvan inestables y no puedan funcionar correctamente. El tamaño de transistor más pequeño que se puede fabricar hoy en día es de unos 5 nanómetros (mm), y se estima que el tamaño del transistor más pequeño que se puede fabricar en el futuro es de aproximadamente 1 nm. Por lo tanto, el tamaño del transistor tiene un límite físico que no se puede cruzar.
El voltaje tampoco se puede aumentar continuamente sin causar problemas. Un problema que puede surgir es el sobrecalentamiento, que es un fenómeno en el que la temperatura de la CPU se vuelve demasiado alta y excede el límite de tolerancia.
El sobrecalentamiento puede hacer que la CPU se dañe o se apague. La temperatura de CPU más alta tolerable en la actualidad es de alrededor de 100 °C, y se estima que la temperatura de CPU más alta tolerable en el futuro será de alrededor de 200 °C. Por lo tanto, el voltaje tiene un límite físico que no se puede cruzar.
El calor tampoco se puede reducir continuamente sin causar problemas. Un problema que puede surgir es un límite de refrigeración, que es un fenómeno en el que el sistema de refrigeración no puede reducir la temperatura de la CPU por debajo de la temperatura ambiente.
Los límites de refrigeración pueden hacer que la CPU no funcione de forma óptima. La temperatura ambiente más baja que se puede alcanzar hoy en día es de aproximadamente -273 °C, y se estima que la temperatura ambiente más baja que se puede alcanzar en el futuro es de alrededor de -273 °C. Por lo tanto, el calor tiene un límite físico que no se puede cruzar.