¿Por qué aún se sigue en el rango de 3-3.5 GHz de velocidad de microprocesador?

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El límite de la velocidad de reloj de los microprocesadores no tiene que ver con un límite de la velocidad de la luz ni nada parecido.

La razón por la que las velocidades del procesador no se han superado es debido a la dificultad de enfriar el chip si se emplean más altas velocidades.

La frecuencia o velocidad del reloj es la peor forma de aumentar la velocidad del sistema, pero durante 45 años de la Ley Moore (cada dos años se duplica el número de transistores en un microprocesador) fue lo más fácil de implementar; además desde el punto de vista del marketing, aumentar la velocidad de reloj era la mejor forma de promocionar un microprocesador, al menos hasta los primeros años de la década de 2000. Permitía comparar fácilmente qué procesador era más rápido mirando su frecuencia de reloj.

Las dos cosas que consumen energía (y por lo tanto producen calor en un dispositivo CMOS) son:

(1) el cambio de estado de 1 a 0 o de 0 a 1, y

(2) fuga de corriente cuando el dispositivo está en estado estable (o estado estacionario, es una condición de equilibrio de un circuito que ocurre cuando los efectos de los transitorios ya no son importantes).

Duplicar la frecuencia del reloj duplica la cantidad de transiciones, de modo que dobla el consumo de energía, en igualdad de condiciones.

Los diseñadores luchan contra esta disipación haciendo que los transistores sean más pequeños y los voltajes más bajos, de modo que se disipe menos energía en cada transición. Pero hacer las compuertas más pequeñas aumenta la fuga de corriente, por lo que realmente no hay forma de ganar.

Si un chip está demasiado caliente, sus partes sensibles se derretirán con resultados catastróficos. El hecho de que la mayor parte del chip sea de silicio no significa que el chip deba calentarse lo suficiente como para derretir el vidrio. Solo necesita calentarse lo suficiente como para derretirse o alterar químicamente cualquier parte que sea sensible.

Si refrescas un chip con un gran ventilador y un disipador de calor, puedes overclockearlo a 5 GHz. Si lo bañas en líquido, puedes ir más rápido y aún más rápido si lo enfrías con nitrógeno líquido, pero hay un límite que tiene que ver con la conductividad térmica.

Por lo tanto lo que se hace en la actualidad con los microprocesadores es superponer la ejecución de las instrucciones utilizando varios núcleos funcionando juntos.