Perché le CPU funzionano spesso alla massima frequenza quando sono inattive?

Lo strozzamento della velocità della CPU è legato alla temperatura. La CPU funzionerà ad un'alta velocità di clock finché non si scalda troppo.

Una CPU inattiva fa pochissimo lavoro, quindi non si scalda, quindi non c'è bisogno che rallenti.

Perché è così? Il consumo di energia nelle CPU è causato dai circuiti che passano da "alto" a "basso" e viceversa. Ci sono milioni di circuiti, ma pochissimi di essi commutano effettivamente durante l'esecuzione del programma "inattivo", quindi non usa molta energia.

Cosa significa "inattivo"? Un sistema operativo esiste per eseguire programmi. Tiene una lista di processi, e anche una macchina inattiva ne avrà centinaia. Il sistema operativo ne cerca uno che sia pronto per essere eseguito e gestisce anche gli interrupt e i dispositivi I/O. In una macchina inattiva non c'è molto da fare. Il processo che mantiene l'orologio potrebbe svegliarsi sulla base di un interrupt del timer, aggiornare l'orologio e tornare a dormire. Il processo che mantiene la cache del disco potrebbe svegliarsi, scoprire che non c'è bisogno di lavorare e tornare a dormire. Un pacchetto di rete potrebbe arrivare, innescando il processo di input di rete a svegliarsi, decidere che il pacchetto non è interessante e tornare a dormire.

La maggior parte del tempo, non ci sono processi in attesa di essere eseguiti. Sui processori x86, il sistema operativo potrebbe anche eseguire l'istruzione WAIT, che va esplicitamente in uno stato di bassa potenza fino a quando "succede qualcosa" come un interrupt del timer. Anche se il sistema operativo rimane sveglio eseguendo un ciclo "è pronto qualcosa?" non userà molta energia perché un programma così semplice non userà molti dei circuiti del chip.

Siccome il consumo di energia è basso, il chip non si scalderà e il processore non sentirà il bisogno di rallentare.