Fuga de transistores: A medida que los transistores se vuelven más pequeños, experimentan un aumento de la corriente de fuga, lo que genera un mayor consumo de energía y disipación de calor. Esto limita las velocidades de reloj máximas alcanzables sin exceder las restricciones térmicas.
Consumo de energía y densidad térmica: Las velocidades de reloj más altas exigen más energía, lo que resulta en una mayor generación de calor. Las soluciones de refrigeración se vuelven cada vez más complejas y costosas a medida que aumenta la densidad del calor, llegando eventualmente a un punto en el que mantener un funcionamiento confiable se vuelve poco práctico o prohibitivo.
Retardo de propagación de la señal: En las CPU de alto rendimiento, la velocidad de propagación de la señal entre transistores se convierte en un factor limitante. El tiempo necesario para que las señales viajen a través del chip plantea desafíos a la hora de sincronizar operaciones y mantener la estabilidad en frecuencias extremadamente altas.
Compensaciones en rendimiento y eficiencia: Si bien velocidades de reloj más altas pueden mejorar el rendimiento en ciertos escenarios, también pueden generar rendimientos decrecientes debido a otros cuellos de botella en el rendimiento o un mayor consumo de energía. Las CPU a menudo logran una mayor eficiencia general al equilibrar las velocidades de reloj con otras optimizaciones, como mejoras arquitectónicas, paralelización y jerarquías de memoria mejoradas.
Desafíos de fabricación: Producir chips con velocidades de reloj extremadamente altas puede volverse cada vez más difícil y costoso debido a procesos de fabricación complejos, requisitos de pruebas rigurosos y rendimientos más bajos.
Entrega de energía: Entregar suficiente energía a una CPU de alta velocidad requiere circuitos de energía eficientes y un diseño cuidadoso de la placa. Esto se vuelve cada vez más desafiante a medida que aumentan las velocidades de reloj, particularmente en factores de forma compactos.
Saldo general del sistema: En los sistemas informáticos modernos, la CPU interactúa con otros componentes como la memoria, el almacenamiento y los periféricos. Lograr un rendimiento óptimo requiere equilibrar la velocidad del reloj de la CPU con las capacidades y limitaciones de estos otros componentes.
Teniendo en cuenta estos factores, las CPU modernas suelen funcionar a velocidades de reloj que van desde unos pocos gigahercios (GHz) hasta unas pocas decenas de GHz. Los procesadores especializados diseñados para aplicaciones específicas de alto rendimiento pueden ir más allá de este rango, pero mantener la estabilidad, la confiabilidad y la eficiencia energética presenta importantes desafíos de ingeniería.