Kỹ thuật ống dẫn làm tăng tốc độ CPU lên bao nhiêu lần

Trong máy tính, ép xung (overclocking) là hoạt động tăng xung nhịp của máy tính để vượt quá tốc độ được nhà sản xuất chứng nhận. Thông thường, điện áp hoạt động cũng được tăng lên để duy trì sự ổn định hoạt động của linh kiện ở tốc độ nhanh. Các thiết bị bán dẫn hoạt động ở tần số và điện áp cao hơn làm tăng điện năng tiêu thụ và nhiệt.[1] Một thiết bị được ép xung có thể không đáng tin cậy hoặc bị lỗi hoàn toàn nếu tải nhiệt bổ sung không được loại bỏ hoặc các thành phần cung cấp điện không thể đáp ứng nhu cầu điện năng tăng lên. Nhiều bảo hành thiết bị nêu rõ rằng ép xung và/hoặc thông số kỹ thuật quá mức sẽ làm mất tác dụng của bất kỳ bảo hành nào, tuy nhiên ngày càng có nhiều nhà sản xuất cho phép ép xung miễn là được thực hiện một cách (tương đối) an toàn.

Đế tản nhiệt chất lượng cao thường được làm bằng đồng.

Tất cả các mạch điện tử đều tạo ra nhiệt do sự chuyển động của dòng điện. Khi tần số xung nhịp trong mạch kỹ thuật số và điện áp áp dụng tăng lên, nhiệt tạo ra bởi các thành phần chạy ở mức hiệu suất cao hơn cũng tăng lên. Mối quan hệ giữa tần số xung nhịp và công suất thiết kế nhiệt (TDP) là tuyến tính. Tuy nhiên, có một giới hạn đối với tần số tối đa được gọi là "bức tường". Để khắc phục vấn đề này, các chuyên gia ép xung nâng cao điện áp chip để tăng tiềm năng ép xung. Điện áp làm tăng điện năng tiêu thụ và do đó sinh nhiệt đáng kể (tỷ lệ thuận với bình phương điện áp trong mạch tuyến tính, chẳng hạn); điều này yêu cầu làm mát nhiều hơn để tránh làm hỏng phần cứng do quá nhiệt. Ngoài ra, một số mạch kỹ thuật số hoạt động chậm lại ở nhiệt độ cao do các đặc tính của thiết bị MOSFET thay đổi. Ngược lại, người ép xung có thể quyết định giảm điện áp chip trong khi ép xung (một quá trình được gọi là undervolting), để giảm phát thải nhiệt trong khi hiệu suất vẫn ở mức tối ưu.

Hệ thống làm mát chuẩn được thiết kế cho lượng điện năng được tạo ra trong quá trình sử dụng không ép xung; các mạch được ép xung có thể yêu cầu làm mát nhiều hơn, chẳng hạn như bằng quạt mạnh, tản nhiệt lớn hơn, ống dẫn nhiệt và tản nhiệt nước. Khối lượng, hình dạng và chất liệu đều ảnh hưởng đến khả năng tản nhiệt của tản nhiệt. Các bộ tản nhiệt hiệu quả thường được làm hoàn toàn bằng đồng, có tính dẫn nhiệt cao, nhưng giá thành cao.[3] Nhôm được sử dụng rộng rãi hơn; nó có đặc tính nhiệt tốt, mặc dù không tốt bằng đồng và rẻ hơn đáng kể. Vật liệu rẻ hơn như thép không có đặc tính nhiệt tốt. Ống dẫn nhiệt có thể được sử dụng để cải thiện độ dẫn điện. Nhiều bộ tản nhiệt kết hợp hai hoặc nhiều vật liệu để đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất và chi phí.[3]

Làm mát bằng nước mang nhiệt thải đến bộ tản nhiệt. Các thiết bị làm mát nhiệt điện thực sự làm lạnh bằng cách sử dụng hiệu ứng Peltier có thể hỗ trợ các bộ xử lý công suất thiết kế nhiệt (TDP) cao do Intel và AMD sản xuất vào đầu thế kỷ XXI. Các thiết bị làm mát bằng nhiệt điện tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai tấm bằng cách cho dòng điện chạy qua các tấm. Phương pháp làm mát này mang lại hiệu quả cao, nhưng bản thân nó tạo ra nhiệt đáng kể ở những nơi khác phải được mang đi, thường là bằng bộ tản nhiệt đối lưu hoặc hệ thống làm mát bằng nước.

Các phương pháp làm mát khác là đối lưu cưỡng bức và làm mát chuyển pha được sử dụng trong tủ lạnh và có thể được điều chỉnh để sử dụng trên máy tính. Nitơ lỏng, heli lỏng và đá khô được sử dụng làm chất làm mát trong các trường hợp khắc nghiệt,[4] chẳng hạn như nỗ lực lập kỷ lục hoặc thí nghiệm một lần thay vì làm mát hệ thống hàng ngày. Vào tháng 6 năm 2006, IBM và Viện Công nghệ Georgia đã cùng nhau công bố một kỷ lục mới về tốc độ xung nhịp chip dựa trên silicon (tốc độ một bóng bán dẫn có thể được chuyển đổi, không phải tốc độ xung nhịp CPU [5]) trên 500GHz, được thực hiện bằng cách làm mát chip xuống 4,5K (268,6°C; 451,6°F) sử dụng helium lỏng.[6] Kỷ lục thế giới về tần số CPU là 8.794GHz tính đến tháng 11 năm 2012.[7] Các phương pháp cực đoan này thường không thực tế về lâu dài, vì chúng yêu cầu nạp lại các bình chứa chất làm mát hóa hơi, và ngưng tụ có thể hình thành trên các thành phần được làm lạnh.[4] Hơn nữa, các bóng bán dẫn hiệu ứng trường cổng tiếp giáp dựa trên silicon (JFET) sẽ phân hủy dưới nhiệt độ khoảng 100K (173°C; 280°F) và cuối cùng ngừng hoạt động hoặc "đóng băng" ở 40K (233°C; 388°F) vì silicon không còn bán dẫn,[8] nên việc sử dụng chất làm mát cực lạnh có thể khiến thiết bị bị hỏng.

Làm mát chìm, được sử dụng bởi siêu máy tính Cray-2, liên quan đến việc nhúng một phần của hệ thống máy tính trực tiếp vào chất lỏng làm lạnh có tính dẫn nhiệt nhưng độ dẫn điện thấp. Ưu điểm của kỹ thuật này là không có sự ngưng tụ có thể hình thành trên các thành phần.[9] Chất lỏng chìm tốt là Fluorinert do 3M sản xuất, đắt tiền. Một lựa chọn khác là dầu khoáng, nhưng các tạp chất như trong nước có thể khiến nó dẫn điện.[9]

Những người đam mê ép xung nghiệp dư đã sử dụng hỗn hợp đá khô và dung môi có điểm đóng băng thấp, chẳng hạn như axeton hoặc cồn isopropyl.[10] Bể làm mát này, thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm, đạt được nhiệt độ 78°C.[11] Tuy nhiên, cách làm này không được khuyến khích do rủi ro về an toàn của nó; dung môi dễ cháy và dễ bay hơi, và đá khô có thể gây tê cóng (do tiếp xúc với da tiếp xúc) và ngạt thở (do một lượng lớn khí cacbonic sinh ra khi nó thăng hoa).