Температура ядра, как один из основных ограничивающих факторов

Температура чипа - один из основных факторов, ограничивающих пользователей в разгоне. Сегодняшние процессоры потребляют довольно большую мощность (более 20 Ватт). Разумеется, работая на таких высоких частотах, им не избежать побочных эффектов. Нагрев ядра и является одним из этих побочных эффектов - нежелательной потерей мощности. Но откуда же берутся такие высокие значения температуры?

Сегодняшние процессоры потребляют до 50 Ватт электрической мощности. Фирмы-производители всё время понижают напряжение, подаваемое на процессор, но это ни о чём не свидетельствует. Дело в том, что чем больше рабочая частота чипа, тем больше мощности он потребляет. Как правило, в процессорах с большей тактовой частотой производители понижают напряжение. Говорить о том, что напряжение уменьшается для того, чтобы снизить нагрев было бы неправильно. Напряжение не влияет на нагрев. На нагрев влияет потребляемая мощность. Естественно, повысив напряжения на процессоре, мы увеличиваем потребляемую им мощность (потребляемая мощность равна произведению подаваемого напряжения и потребляемого тока), как следствие - увеличиваются потери на нагрев в процессоре.

Для того, чтобы понять откуда берётся столько тепла, посмотрим на таблицу. 

Повысив частоту ещё больше, мы получим ещё большее рассеивание теплоты. Чем нам грозит такое выделение теплоты? Тем, что температура ядра процессора  запросто составит 105-110 градусов. Возможны ли большие значения? Запросто. Но чем плоха такая температура? Такая температура приводит к зависанию процессора.

Почему процессор зависает от слишком высокой температуры? Это довольно сложный вопрос, потому что процессор - вещь также непростая. Но в основе зависаний процессора могут вполне лежать факторы, приводящие, определяющие температурную зависимость полупроводниковых приборов - транзисторов, диодов и т.д. Рассмотрим некоторые из них.

При повышении температуры все проводники увеличивают своё электрическое сопротивление. И если при увеличении температуры с 20 до 26 градусов это изменение сопротивления незначительно, то при увеличении температуры с 20 до 100 градусов это изменение уже очень велико и его нельзя не учитывать. Токоведущие элементы, используемые в процессорах вполне рассчитаны на такую температуру. Но при ещё большем её увеличении сопротивление меняется ещё сильнее, и здесь уже мы встречаемся с его нежелательно высокими значениями. Чем грозит увеличение сопротивления? Дело в том, что сопротивление проводника, напряжение и ток связаны законом Ома (напряжение равняется произведению тока и сопротивления). Соответственно, при увеличении сопротивления и неизменном токе получим более низкое напряжение. А при неизменном напряжении и увеличенном сопротивлении получим более низкие значения тока. Такие изменения негативно отражаются на работе процессора.

Процессор, видеочип, или микросхема памяти представляют собой полупроводниковый прибор. Полупроводники бывают чистыми (состоящими только из атомов одного элемента) и примесными (состоящими из атомов двух, или более элементов). В полупроводниках имеются основные и неосновные носители зарядов. На сегодняшний день в промышленности используются примесные полупроводники. Я не собираюсь вдаваться в подробности примесной проводимости. Скажу одно: при повышении температуры увеличивается число собственных одних носителей заряда при неизменном числе других носителей заряда. Полупроводник теряет свои свойства. Этот процесс обратимый - при понижении температуры полупроводник снова обретает свои свойства. В современных приборах используются полупроводники с низкой температурной зависимостью. Но это не означает полную независимость полупроводника от температуры.

Также при повышении температуры в зоне p-n перехода полупроводника может возникнуть так называемый тепловой пробой, приводящий к изменению свойств полупроводника. Этот процесс также обратимый и при понижении температуры картина восстанавливается.

Я не собираюсь утверждать, что эти процессы являются ключевыми в температурной зависимости процессоров и видеочипов. Но эти процессы происходят на уровне ядер и электронов и поэтому они присущи полупроводниковым приборам. Процессор состоит из многих миллионов транзисторов и других деталей. Современные процессоры имеют температурную защиту, которая при достижении определённых значений температуры просто останавливает работу чипа, чтобы предотвратить его повреждение. Однако, пороговое значение температуры слишком велико (около 135 градусов) и редко достигается процессором.

Проблема охлаждения является, пожалуй, основным ограничивающим фактором при разгоне.