O limite prático para velocidades de clock da CPU moderna é determinado principalmente por vários fatores:

Vazamento de transistor: À medida que os transistores ficam menores, eles experimentam um aumento na corrente de fuga, levando a um maior consumo de energia e dissipação de calor. Isto limita as velocidades máximas de clock alcançáveis ​​sem exceder as restrições térmicas.

Consumo de energia e densidade térmica: Velocidades de clock mais altas exigem mais energia, resultando em maior geração de calor. As soluções de resfriamento tornam-se cada vez mais complexas e caras à medida que a densidade de calor aumenta, chegando eventualmente a um ponto em que se torna impraticável ou com custo proibitivo manter uma operação confiável.

Atraso de propagação do sinal: Em CPUs de alto desempenho, a velocidade de propagação do sinal entre os transistores torna-se um fator limitante. O tempo necessário para que os sinais percorram o chip representa desafios na sincronização das operações e na manutenção da estabilidade em frequências extremamente altas.

Compensações em desempenho e eficiência: Embora velocidades de clock mais altas possam melhorar o desempenho em determinados cenários, elas também podem resultar em retornos decrescentes devido a outros gargalos de desempenho ou ao aumento do consumo de energia. As CPUs geralmente alcançam melhor eficiência geral equilibrando as velocidades de clock com outras otimizações, como aprimoramentos arquitetônicos, paralelização e hierarquias de memória aprimoradas.

Desafios de fabricação: A produção de chips com velocidades de clock extremamente altas pode se tornar cada vez mais difícil e cara devido a processos de fabricação complexos, requisitos de testes rigorosos e rendimentos mais baixos.

Fornecimento de energia: Fornecer energia suficiente para uma CPU de alta velocidade requer circuitos de energia eficientes e um design cuidadoso da placa. Isso se torna cada vez mais desafiador à medida que a velocidade do clock aumenta, especialmente em formatos compactos.

Equilíbrio geral do sistema: Nos sistemas de computação modernos, a CPU interage com outros componentes, como memória, armazenamento e periféricos. Alcançar o desempenho ideal requer equilibrar a velocidade do clock da CPU com os recursos e limitações desses outros componentes.

Dados esses fatores, as CPUs modernas normalmente operam em velocidades de clock que variam de alguns gigahertz (GHz) a algumas dezenas de GHz. Processadores especializados projetados para aplicações específicas de alto desempenho podem ir além dessa faixa, mas manter a estabilidade, a confiabilidade e a eficiência energética apresenta desafios de engenharia significativos.