bubulindo:
Com os chips é a mesma coisa. Claro que se tiveres experiência e quiseres que o chip falhe prematuramente e para lá da garantia então é uma boa ideia fazer o overclocking.
Um Atmega328 trabalhando a 20Mhz com 5V está bastante dentro das especificações. Segundo o datasheet, com 20MHz ele pode trabalhar até 5.5V.
3.3V a 16MHz, no entanto, já é em si um overclock, pois para esta tensão ele deveria trabalhar a 10Mhz.
Qual o tempo de vida útil de um Atmega328 que a Atmel garante? 20 anos? 40 anos? Vamos supor 20 anos, que é um prazo até curtíssimo para microcontroladores. Se trabalhar ligeiramente fora das especificações pode reduzir a vida útil dele em 50%, ele ainda durará 10 anos. Só que daqui a 10 anos ele estará totalmente obsoleto, portanto, se ter excedido as especificações trouxe benefícios para o projeto, então valeu a pena fazê-lo. Será que fui claro?
A propósito, o datasheet garante uma retenção de dados no Atmega328 de 100 anos a 25ºC e 20 anos a 85ºC.
Deixa eu te dar como exemplo meu Intel Core-i7. O meu computador de casa de um Core i7-920, que é de fábrica 2.66GHz. Com overclock e boa refrigeração, eu estou trabalhando com ele a 4.20GHz há mais de 2 anos. Vale a pena? Sim! Eu sei que ele, dentro das especificações, dura mais de 20 anos (não se pode dizer isto de processadores da AMD, mas os da Intel duram uma vida inteira). Se ele durar apenas 10 anos, eu ainda estou no lucro, pois estou fazendo um processador que me custou US$ 250 trabalhar como se fosse um processador de US$ 400, portanto economicamente é muito interessante. Daqui a 7-8 anos, se ele queimar, eu não terei o menor interesse em substituí-lo, mas sim adquirir a tecnologia que estiver vigente à época.
Acredito eu que com microcontroladores é a mesma coisa: se exceder as especificações for tecnicamente viável e economicamente interessante para o projeto, sem qualquer ônus a curto e médio prazo, eu acho que vale a pena sim.
Sabes de empresas a fazer isso como prática corrente?
De microcontroladores não sei, pois nunca pesquisei, mas no Hack A Day é comum ler sobre pessoas que fizeram coisas assim com bastante êxito, sobretudo com Arduinos.
Já com CPUs e GPUs eu posso te dar uma lista grande. Para começar a EVGA, que vende placas de vídeo que já possuem overclock de fábrica, portanto elas mesma exageram nas especificações da NVidia. O mercado de overclock de processadores também é grande. A própria Intel fabrica CPUs próprias para sofrerem overclock (sua linha Extreme).
Já agora qual é a temperatura do chip a essas frequências?
Seria uma boa medir isto, mas como o die do microcontrolador ocupa menos de 1cm2 do DIP-28 que usamos, existe ali muito espaço para dissipação de calor.
Novamente, repito: trabalhar a 20Mhz com 5V é normal para este uC e garantido pelo fabricante.