2. Tensão e potência
Tensão é a diferença de potencial elétrico entre dois pontos. Potência é a taxa de energia elétrica consumida ou emitida por um dispositivo. A voltagem e a potência estão intimamente relacionadas com a velocidade da CPU. Quanto maior a tensão aplicada à CPU, mais forte é a corrente elétrica que flui na CPU.
Quanto mais forte a corrente elétrica fluindo na CPU, mais rápido a CPU pode mudar de um estado para outro. Quanto mais rápido a CPU pode mudar de um estado para outro, maior a taxa de clock que a CPU pode alcançar. Assim, a tensão afeta positivamente a velocidade da CPU.
No entanto, a tensão também afeta negativamente a velocidade da CPU. Quanto maior a tensão aplicada à CPU, maior a energia consumida pela CPU. Quanto maior a energia consumida pela CPU, maior o calor gerado pela CPU.
Quanto maior o calor gerado pela CPU, maior a temperatura que a CPU deve suportar. Quanto maior a temperatura que a CPU tem que lidar, maior o risco de danos ou falhas que podem ocorrer na CPU. Assim, a tensão afeta negativamente a velocidade da CPU.
3. Resfriamento
O resfriamento é o processo de redução da temperatura de um objeto ou sistema. O resfriamento está intimamente relacionado à velocidade da CPU. Quanto melhor o resfriamento fornecido à CPU, menor a temperatura que a CPU deve suportar.
Quanto menor a temperatura que a CPU tem que lidar, menor o risco de danos ou falhas que podem ocorrer na CPU. Quanto menor o risco de dano ou falha que pode ocorrer à CPU, maior a taxa de clock que a CPU pode alcançar. Assim, o resfriamento tem um efeito positivo na velocidade da CPU.
No entanto, o resfriamento também afeta negativamente a velocidade da CPU. Quanto melhor o resfriamento fornecido à CPU, maior o custo para construir e executar o sistema de resfriamento.
Quanto maior o custo de construção e operação de um sistema de refrigeração, maior o ônus que os fabricantes de CPU e os consumidores devem suportar. Assim, o resfriamento afeta negativamente a velocidade da CPU.
Desafios no aumento da velocidade da CPU
A partir dos fatores que afetam a velocidade da CPU, pode-se ver que existem vários desafios enfrentados por engenheiros e cientistas no aumento da velocidade da CPU. Esses desafios incluem:
1. Limites físicos
Limites físicos são limitações determinadas pelas leis da física. Os limites físicos relacionados à velocidade da CPU são o tamanho do transistor, a tensão e o calor. O tamanho do transistor não pode ser reduzido continuamente sem causar problemas. Um problema que pode surgir é o tunelamento quântico, que é um fenômeno em que elétrons podem atravessar transistores sem serem impedidos por obstáculos potenciais.
O tunelamento quântico pode fazer com que os transistores se tornem instáveis e incapazes de funcionar corretamente. O menor tamanho de transistor que pode ser feito hoje é de cerca de 5 nanômetros (mm), e estima-se que o tamanho do menor transistor que pode ser feito no futuro é de cerca de 1 nm. Assim, o tamanho do transistor tem um limite físico que não pode ser ultrapassado.
A tensão também não pode ser aumentada continuamente sem causar problemas. Um problema que pode surgir é o superaquecimento, que é um fenômeno onde a temperatura da CPU se torna muito alta e excede o limite de tolerância.
O superaquecimento pode fazer com que a CPU fique danificada ou desligue. A temperatura mais alta tolerável da CPU hoje é de cerca de 100°C, e estima-se que a maior temperatura tolerável da CPU no futuro será de cerca de 200°C. Então, a tensão tem um limite físico que não pode ser ultrapassado.
O calor também não pode ser reduzido continuamente sem causar problemas. Um problema que pode surgir é um limite de resfriamento, que é um fenômeno em que o sistema de resfriamento não pode baixar a temperatura da CPU abaixo da temperatura ambiente.
Os limites de resfriamento podem fazer com que a CPU não funcione da maneira ideal. A temperatura ambiente mais baixa possível hoje é de cerca de -273°C, e estima-se que a temperatura ambiente mais baixa alcançável no futuro seja de cerca de -273°C. Então, o calor tem um limite físico que não pode ser ultrapassado.