异步芯片即 无时钟输入芯片

简介

走进公司

创造过程

曾经没有采用的方案

无时钟芯片的复苏

简介

异步芯片即 无时钟输入芯片

传统的微处理器所面临的最紧迫的问题应该是，芯片的时钟在日益艰难的物理现实的面前仅仅能被加速到一定程度。时钟的作用在于同步计算机芯片上所有的工作，现在，时钟的这种角色已是芯片上必不可少的了。无时钟输入已经表现出来强大的生命力，尤其是在使用电池的设备中。在异步芯片上的晶体管之间可以独立的交换信息而无需等待其他的任何事情。传统的芯片整体以它的最慢的部件的速度运行，而异步芯片以它所有部件的平均速度运行。同时，异步设计在降低能耗等方面也表现出很大的优势。

一个不使用时钟的计算机芯片将是一个更快更好的芯片，但是把这些将颠覆惯例的设计移出实验室还有很长的路要走。

走进公司

Karl Fant是Theseus Logic公司的创始人和首席技术官（CTO），他用强有力的语气告诉我：“我们正在用无政府状态来取代专政。他跪在地上，充分利用了面前白色书写板上的每个空间，在上面写下说明性的例子。他宣布：“最终，每个芯片都将按这种方式来设计，这是不可避免的”。

在硅谷，公司的创始人以纵容他们自己的奇怪的嗜好而著称，但是在Fant在加利福尼亚Sunnyvale的办公室却是一个意外。他的低矮的桌子上堆满了备忘录、手抄纸和其他的文件材料，地板上没有椅子，只有枕头随意地躺在地上。如果你处在我这样的境况下，你会后悔穿正装，并且犹豫着你将坐在什么地方。但是，Fant是个意外。他把我带到隔壁的一间传统的会议室里，谢天谢地，那里有椅子。他在这里开始宣讲这即将到来的芯片革命，这场革命将使计算机芯片从过去的束缚中摆脱出来。

创造过程

从计算机时代诞生以来，芯片的最基本的工作方式就是利用时钟来组织和运行其任务，甚至我们中间那些对微处理器一无所知的人也知道一些跟时钟有关的内容。多年来，英特尔（Intel）利用时钟频率作为它的一个市场工具，时钟频率越高的芯片越好。和价格一起在计算机广告上占重要位置的，是一个标有类似于“1.3GHz（千兆赫）”的数字。这个数字所指的是时钟的频率，它管理着机器的微处理器的运作。例如，在每一个千兆赫的微处理器内部，有一种小的振荡晶体在一秒内振动10亿次。工程师被训练成设计芯片时的首要考虑是在下一次时钟周期来临前尽量将事情做好。一个没有时钟的芯片将像一个字与字之间没有任何空隙的文本一样有用。然而，对绝大多数的芯片设计者而言，抛弃时钟是难以想象的。

但是，对于Fant和他的同伙一样的勇于打破传统旧习的人而言，情况却是不同的。他们工作在大学里或是公司的实验室里，从事无时钟芯片的研究。他们是一个有着共同的热情和信念的小团体。他们每年的年会仅仅能吸引几百人参加。在这个领域的前沿工作的领导者互相熟识，并互相拥有对方的电话号码。当他们所使用的方法和市场不一致的时候，他们会在他们的信仰下取得统一。他们相信时钟同步的芯片已经走到了末路，并坚信他们开创的方法的优势将使芯片产业在别无选择的时候，最终采用该方法，他们的方法称之为“异步设计”或“自同步电路”。

加利福尼亚理工学院的一位计算机科学教授，Alain Martin，曾经在1989年开发了第一个无时钟输入的微处理器。他说“设计者们逐渐意识到，在日益复杂的系统上分配时钟频率，正变得越来越困难”，他指出，随着芯片变得更加复杂，在运行这些芯片时，将有越来越多的能量被时钟自身消耗，解决这些问题则需要协调成百万个晶体管的工作。

相反地，异步的芯片有很多大的优点。首先，它极大地提高了电能的使用效率，这直接延长了电池的使用时间。无时钟输入的技术也为提高计算速度提供了很大的空间。在Sun Mcirosystems、Intel和IBM的实验室里，无时钟输入的芯片加快了在其高端处理器上工作的步伐。1997年，Intel开发了一个异步的，与Pentiun兼容的测试芯片，它比等价的同步芯片在速度上快3倍，能耗降低一半。

在Theseus公司，Fant已经注意到异步设计的另一个优势。因为由时钟频率控制的电路在工作的时候会发出一定频率的信号，而异步芯片则不会发出任何规则的信号，因而他们可以在某种程度上执行加密，这样的加密将更难以识别和破解。经过改良以后的加密技术将使异步电路成为各种嵌入芯片的小型卡片的理想选择，这些卡片可以用于一些对安全比较敏感的领域如存储病历、电子资金交换和个人身份识别等。

Fant、Martin和其他信奉无时钟输入芯片的人到底对不对呢？坦白地说，回答是肯定的。撇开无时钟输入芯片在技术上的优势，它在理论上的贡献更大。

Intel的设计从来都没有搬出实验室，无时钟输入芯片在应用上的失败实际上提供了一个很好的案例，技术的采用无可避免的面临着巨大的进入市场的障碍，尤其是在计算机这样的以连续性的快速的创新著称的产业。

曾经没有采用的方案

早在1946年的时候，现代计算机技术的奠基人就曾经考虑过异步的设计。但是这些早期的计算机工程师选择了使用时钟。Sun公司的一位资深工程师Jo Ebergen说“在那个年代，这样的选择是正确的”。Jo Ebergen曾经在一个由Sun的员工和副总裁Ivan Sutherland领导的异步研究小组工作。（在1989年，Sutherland被认为是计算机图形领域的先驱，他写的一篇论文重新燃起了在无时钟输入芯片技术领域的兴趣。）Jo Ebergen补充到，“他们进行设计时所处的技术环境，是使用真空管和中继电路，那意味着他们如果不利用时钟来管理整个的工作，他们将无法建立起一台可靠的计算机。”通过使用时钟，工程师们可以建立故障自检机制，从而使得计算机变得可靠。

从这个决策起，就诞生了压倒一切的摩尔（Moore）定律的效应。当时在几乎所有的研究、开发和半导体产业的产品中，都把焦点集中在有时钟控制的芯片。到20世纪60年代，无时钟输入芯片的概念除了在极少数的深奥的论文和偶尔几个大学里面的人那里存在之外，几乎销声匿迹了。在今天的芯片中，时钟仍然是其中关键的组成部分。当微处理器执行一项给定的操作时，电子信号在极细的金属线上传输、交叉、遇到逻辑门，直到最终将计算结果存放到临时的存储器（我们称之为寄存器）中。比如，你想做4乘以6的乘法。如果能在计算正在进行时，将芯片的速度降下来，看一看寄存器，你就会看到寄存器里的数值在最终得出正确答案之前会改变很多次，比如，从4到12再到8。这是因为发出的用于执行该运算的信号要经过许多不同的数据通道才能到达寄存器，而只有在所有的信号都送达寄存器之后才会给出正确的响应。时钟的作用就是保证在给定的时间内得到响应。芯片的设计要保证通过电路的最慢的通道，也就是线路最长和门最多的通道，能在单个的时钟周期内到达寄存器。

通过使用一个中央时钟来进行芯片上工作的管理，工程师们不再需要担心各种长度不等的成百万的小的金属线；各种信号只要在下一个时钟周期之前被送达寄存器，它们可以以任何顺序被送达。在这样的统一的时钟原则下，成百个工程师的团队就可以协调他们的工作。我们也确实从中获益：基于时钟的设计原则已经使芯片的性能以奇迹般的速度增长了30多年。Sun公司从事SPARC微处理器设计的著名的计算机工程师，Kevin Normoyle，说“作为芯片设计上的一个杰出的概念，时钟将不可避免的会被取代。然而，它是如此的简单，它是一个已经广泛应用的方法，现在正用在集成了数百万晶体管的芯片上。”

但是，超过一定点之后，不断的加速时钟频率就会开始进入收益递减的阶段。这就是为什么一千兆赫的芯片的运行速度达不到500兆赫的两倍那么快的原因。时钟在从头至尾的工作中必须协调芯片上数百万个晶体管的工作，这产生了它自己的耗费。时钟的频率越高，耗费就越大。在这样像艺术品一样的微处理器上，时钟的耗费往往达到芯片计算能力的30%，并且这个百分比随着时钟频率的提高而加大。这就好比工厂使用管理人员来超负荷生产，这些管理人员虽然提高了效率，但是也占用了大量的工人和机器应有的空间。

由时钟管理的芯片正面临越来越严重的能量耗费问题：以千兆赫的频率来协调数千万个晶体管的工作需要耗费大量的能量，这种耗费最终的结果是使芯片发热。Intel的首席技术官（CTO），Patrick Gelsinger，在他参加2000年2月份的国际使用电晶体电路会议（the International Solid-State Circuits Conference）的主题演讲中曾提到这个问题。Gelsinger只是半开玩笑的说，如果微处理器继续靠更高频率的时钟来运行的话，那么到2005年，一个计算机芯片在运行时的发热量将会像一个核反应堆那么大。

传统的微处理器存在的最紧迫的问题应该是，在一定的物理现实面前，芯片的时钟频率只能被加速到一定程度。今天，在一个千兆赫的芯片上，还可以将表示二进制0和1的电流脉冲序列在单个的时钟周期内通过芯片，但这个能力已比较有限。在未来的2年里预期出现的2千兆赫的芯片上将不再能实现这一点。时钟所扮演的同步芯片上所有工作的角色将会消失。

无时钟芯片的复苏

芯片制造商在抛弃时钟后，将可以从这种束缚中摆脱出来。无时钟芯片有很大的优势。例如，由菲力浦电子（Philips Electronics）销售的基于异步芯片的寻呼机一节电池使用的时间是那些使用传统芯片的竞争者的产品的2倍。

像一群马奔跑的速度和其最慢的马相等一样，由时钟管理的芯片的运行速度不会比其最慢的部件快，它只有在它的每个部件都完成了自己的工作以后，才会产生响应。相反，在异步芯片上的晶体管之间可以独立的交换信息，而无需等待其他的任何事情，因而它可以以所有部件的平均速度运行。Intel和Sun公司采用这种方法制造的芯片原型比采用传统线路的同类产品的速度快2至3倍。

Intel公司的Ebergen说，“比方说，你交给我一个文件夹，我在文件夹上进行工作，之后再将文件夹交还给你。我把文件夹还给你这样一个事实意味着我已经完成了在该文件夹上的工作。我们没有必要每隔5秒中交流一次。只要我们对在什么时候开始工作和什么时候提交工作达成协议，我们完全可以完成的更快，我们不需要在整个过程中的每一步都保持同步。”

无时钟芯片的另一个优势是它们只发出很少的电磁噪音。我们知道，时钟的频率越高，就越难防止设备之间的干扰，越难以在分频的时候消除电磁噪音的问题。低噪音和低能耗决定了异步芯片将是移动设备的理想选择。Ernst and Young咨询公司从事技术战略的Yobie Benjamin认为，“无时钟输入芯片的成果首先会被用到通信设备上”，将会从手机开始。Benjamin个人在一家从事无时钟输入芯片的公司——Asynchronous Digital Design公司进行了投资，这可以说明他关于无时钟输入芯片技术的看法具有一定可信性。

其他的两个新的公司：Theseus、Manchester，正在专注于无时钟芯片在小型卡片上的应用。Fant坚持认为，采用传统芯片的小型卡片背后隐藏的问题是它易于被攻击，通过察看这些电流信号，很容易破解芯片的安全密码。Fant说，“时钟本身就像一个大的信号在说‘嗨，看这里’，这就像在一个整齐的队列里寻找一个人。而异步则更像是一个散乱的人群，没有明显的信号可供观察。潜在的黑客将无从下手。”

速度、能源的效率以及噪音的大小看起来像是任何芯片追求的重要目标，而不仅仅是那些应用在个别领域的芯片追求的目标。但是，Sun、IBM和Intel都有自己小型的研究组从事异步设计在专业应用方面的研究，然而，没有一家公司宣布要研究一种通用的无时钟输入的微处理器。这似乎是一个不寻常的疏忽，一个把提高处理器速度确立到几乎神圣的目标的产业竟然放弃了提高芯片速度的最有前途的途径。我们必须思考这是为什么。

例如，为什么Intel只在异步芯片方面进行小型的研究？原因在于虽然异步芯片可以比传统的由时钟管理的芯片快3倍，能耗小一半，但这些都不足以使产业界把现有的生产线转换到一个“激进”的技术上。异步芯片在实验室阶段可能比同步的设计要领先好几年，但是支持传统微处理器生产的设计、测试和制造的流水线系统仍然比任何支持异步生产的系统要领先至少20年。无论任何人打算开发无时钟输入芯片都必须寻求缩短这种差距的途径。

Intel的资深科学家，Ken Stevens，他曾经参与了1997年的异步设计项目。Stevens说，“如果你花费了3倍的力气进行异步的设计，但是它将花费你3倍的力气使它进入市场，所以，你将得不偿失。它不足以构成幻想，或者说这个技术是多么的伟大。所有的问题在于你是否能让它足够的快、足够的便宜，以及你是否能维持日后年复一年的持续性生产开发。”

作为由时钟控制的芯片的替代产品，菲力浦的异步芯片使该公司的寻呼机在同样的电池能量下可以持续工作原来两倍长的时间。然而，它是经过了十年左右的潜心研究，才在1998年初次推出的。从事异步芯片研究的科研人员从一开始就明白他们的工作不仅仅是要开发另一种芯片，而且更重要的在于要建立一整套的设计、测试和生产这种芯片的方法，而这是很不容易的。

把无时钟芯片推向市场的最大的障碍在于，缺乏自动化的设计工具来加速设计人员的设计工作。20年以前，少数的工程师可以在纸上画出一个芯片的电路。而今天，数百个工程师工作在一个团队中，协调他们工作的唯一的希望是使用复杂的计算机辅助工具。但是，异步芯片的设计者们面对的是一个鸡和蛋的问题：如果异步芯片没有大量的市场，那么就没有动力去开发为加快无时钟芯片研究的辅助工具；如果没有辅助工具，就不会有芯片生产出来。同样的问题也存在于芯片测试技术的开发之中，如果没有足够多的异步芯片需要做测试，那么也就不会产生开发测试工具的第三方的市场

以菲力浦寻呼机芯片的情况为例，该公司认为跳出这个陷阱的唯一的途径是自己投资开发所需的工具。菲力浦的一个研究人员，Kees van Berkel，说“在13年的研究之后，我们现在已经形成一个比较有效的异步电路的测试方法”，他从20世纪80年代开始就曾供职于荷兰大型的异步研究团队。在这个方面的需求，菲力浦并不是唯一的一家。在为异步芯片的发展创造条件的努力过程中，哥伦比亚大学的科学家Steven Nowick和曼彻斯特大学的科学家Steve Furber各自开发了设计工具，并将它们发布作为共享软件。Nowick说，“辅助设计的工具是当前的障碍，如果你没有工具，你就无法以简单的方式进行工作，也无法训练人们成为该行业的专家。”

除了新一代的设计、测试工具，无时钟芯片的成功开发还需要人们理解异步设计。这样的天才非常的少，因为几乎每个大学教给他们的工程学学生的异步原理只停留在表层的水平上。传统的芯片能够使不正确的送达寄存器的数值移出序列，但是在一个无时钟芯片里，数值必须一次性正确地送达寄存器。实现这一目标的一种途径是密切的注意各种细节——电线的长度、和特定的寄存器连接的逻辑门的数目等，从而保证信号以正确的逻辑序列传输到寄存器。这些意味着异步设计在物理设计上要更加小心翼翼，同步电路的设计者们在物理设计方面的要求则没有这么严格。

Theseus和其他的公司采用的是另一种方法，他们在芯片上开辟了一条独立的通信通道。由时钟管理的芯片在单个的一根线上用低电压和高电压来代表0和1；而使用两条线的“双轨”的电路，所提供的芯片的通信通道，不仅可以用来传送比特流，而且可以传输方向互逆的信号以说明工作何时已经完成。Fant又提出要用他称之为“非传统逻辑”（"null convention logic"）的系统来取代传统的数字逻辑系统，这种设计不仅可以识别“yes”和“no”，还可以识别有无响应，这是无时钟芯片识别一项操作何时仍未完成的方便的途径。所有的这些想法、概念、方法和传统的完全不同，在实际中实行它们的时候足以把一个受传统时钟管理芯片设计教育的工程师的头脑搞晕。异步数字设备（Asynchronous Digital Devices）和自同步方法（Self-Timed Solutions）这两个最新的异步项目的启动受到加州理工学院和曼彻斯特大学出来的学生的欢迎也无足为奇，因为，这两所大学都有很久的无时钟芯片研究的历史。

一种芯片要取得成功，必须同时具备三个要素：设计工具、生产效率和有经验的设计人员。该产业时事通讯《微处理器报告》（Microprocessor Report）的主编、微处理器分析专家Max Baron说，“异步设计目前有非常有前途的理念，但是他们没有实际的生产机器，他们也无法证明他们知道如何建立生产机器。”

虽然无时钟芯片进入主流还有很长的路要走，但我们已经看到这个转变的开始。Intel在1997年建立了异步芯片项目，将无时钟技术的部分元素融入它2001年发布的Pentium 4芯片之中。Stevens说，“我们正从下到上地引入异步设计，在仍旧按传统设计的芯片的部分部件采用无时钟输入的逻辑。关于这一点，如果我们部分采用异步设计，会在能源消耗方面有所改进的话，我们就会采用它。”

Karl Fant是如何乐观的预计这场芯片革命的呢？在芯片制造业这样一个成熟的产业，不可能在一个晚上的时间就发生异步设计取代同步设计的事情（“无政府状态取代专政状态”）。但是随着时间的推移，现在平衡将逐渐向异步设计倾斜；会有足够多的文章写出来、足够多的工具开发出来、足够多的工程师被培养出来，即使在专业应用之外他们将不会再不现实的想象这样一个芯片的市常Sun的工程师Normoyle说，“一旦人们明白了如何容易的实现它，人们将会很自然的考虑异步设计。我们因为它比其他的要容易而采用它。我们唯一的目标就是比其他人做的更好。当同步设计不再足够的好的时候，这种转换就会到来。”