Det är dags för klockfria chips

Vi ersätter diktatur med anarki! Karl Fant berättar med eftertryck. Hästsvansad och animerad, grundaren och tekniska chefen för Theseus Logic fyller whiteboarden med svepande illustrativa exempel och knäböjer för att använda varje bit av tillgängligt skrivutrymme. Han är i sina strumpor. Så småningom kommer varje chip att designas på detta sätt, förklarar han. Det är oundvikligt!

Även i Silicon Valley, där företagsgrundare är kända för att hänge sig åt sina icke-konformistiska tendenser, kommer Fants Sunnyvale, CA, kontor som en överraskning. Hans låga skrivbord är täckt av en formlös massa av anteckningar och utskrifter och andra pappersgrejer, allt hopar sig något mot mitten. Det finns inga kuddar med bara stolar utspridda konstlöst på golvet. Om du råkar vara jag, börjar du ångra att du bär en klänning och undrar var exakt du är tänkt att sitta. Men nej: Fant leder dig till ett vanligt konferensrum bredvid, där det tack och lov finns en stol. Det är där han börjar evangelisera om den kommande revolutionen som är avsedd att ta bort datorchips från det förflutnas begränsningar.

Hur? Genom att kasta ut klockan, det grundläggande sättet som chips, sedan datorålderns gryning, har organiserat och utfört sitt arbete. Även de av oss som inte vet något om mikroprocessorer vet något om sina klockor – Intel har i flera år använt klockhastigheten på sina mikroprocessorer som ett marknadsföringsverktyg, där snabbare är bättre. Siffran som dominerar de flesta datorannonser, tillsammans med priset, är en etikett som 1,3 GHz (eller gigahertz). Den siffran hänvisar till hastigheten på klockan som styr den interna driften av maskinens mikroprocessor. Inom varje en-gigahertz mikroprocessor, till exempel, finns det en oscillerande kristall som tickar en miljard gånger i sekunden. Ingenjörer är utbildade för att designa chips där deras första övervägande är att få arbetet gjort innan nästa klocktick kommer. Ett chip utan klocka skulle vara ungefär lika användbart som en textsida utan mellanslag mellan bokstäverna. För de flesta chipdesigners är det svårt att föreställa sig att kasta ut klockan.

Men inte för Fant eller hans andra ikonoklaster som arbetar med klockfria chips på startups, universitet och företagslabb. Det är en liten grupp ivrig troende. Deras årliga konferens lockar bara några hundra deltagare. Ledare på området känner varandra väl och har varandras mobiltelefonnummer memorerade. Men även om deras metoder och marknader skiljer sig åt, är de förenade i sin övertygelse om att klockade kretsar har gått sin väg och är övertygade om att fördelarna med deras maverick-metod, alternativt känd som asynkron design eller självtidsinställda kretsar, är så stora att kretsen industrin kommer i slutändan inte att ha något annat val än att anamma det.

Designers inser att det blir svårare och svårare att distribuera en klocka över allt mer komplicerade system, och att det förr eller senare inte kommer att fungera, säger Alain Martin, professor i datavetenskap vid Caltech, som byggde den första klocklösa mikroprocessorn 1989 Han påpekar att allt eftersom chips blir mer komplexa, äts mer och mer av kraften som krävs för att köra dem upp av själva klockan, som nu måste koordinera arbetet för miljontals transistorer.

Att avstå från denna overhead ger stora fördelar för asynkrona chips. Den ena är kraftigt förbättrad elektrisk effektivitet, vilket direkt leder till förlängd batteritid. Den klocklösa tekniken ger också en fördel i beräkningshastighet. I laboratorier på Sun Microsystems, Intel och IBM har klockfria kretsar ökat takten som avancerade processorer gör sitt jobb. 1997 utvecklade Intel ett asynkront, Pentium-kompatibelt testchip som gick tre gånger så snabbt, med hälften så mycket kraft som dess synkrona motsvarighet.

På Theseus har Fant fokuserat på ytterligare en fördel med asynkron design. Eftersom dessa chips inte avger någon regelbundet tidsinställd signal, som klockade kretsar gör, kan de utföra kryptering på ett sätt som är svårare att identifiera och knäcka. Förbättrad kryptering gör asynkrona kretsar till ett självklart val för smarta kort - de chipförsedda plastkorten börjar användas för sådana säkerhetskänsliga applikationer som lagring av journaler, elektroniskt utbyte av pengar och personlig identifiering.

Har Fant, Martin och andra klocklösa mästare rätt? Ärligt talat, ja. Och trots teknikens tydliga fördelar förblir klockfria chips mer teori än praktik. Intel-enheten, till exempel, kom aldrig ut ur labbet. Att klocklösa chip inte lyckas vinna mark gör dem faktiskt till en perfekt fallstudie av en utveckling med överväldigande löfte som trots det står inför stora hinder för marknadsintroduktion - även i en bransch känd för kontinuerlig och snabb innovation.

Vägen som inte tagits

Grundarna av modern datorteknik övervägde asynkron design redan 1946. Men dessa tidiga dataingenjörer valde istället att gå med en klocka. På den tiden var det rätt val, säger Jo Ebergen, senior stabsingenjör på Sun som arbetar i en asynkron forskargrupp som leds av Sun-stipendiat och vicepresident Ivan Sutherland. (1989 skrev Sutherland, mest känd som en pionjär inom datorgrafik, en artikel som nästan på egen hand väckte intresset för klocklös-chip-teknik igen.) De omständigheter under vilka de var tvungna att designa, med hjälp av vakuumrör och reläkretsar, innebar att de kunde verkligen inte bygga en pålitlig dator utan en klocka som styrde det hela, tillägger han. Genom att använda en klocka kunde ingenjörer bygga in felsäkra åtgärder som gjorde datorer pålitliga även när delarna de var gjorda av inte var det.

Från det första valet kom ångvältseffekten av Moores lag, där nästan all forskning, utveckling och produktion inom halvledarindustrin har fokuserat på klockade chips. På 1960-talet hade föreställningen om klockfria chips nästan försvunnit - hålls vid liv endast av en eller två esoteriska papper som kom från universiteten. I dagens marker förblir därför klockan den viktigaste delen av handlingen. När en mikroprocessor utför en given operation, färdas elektroniska signaler längs mikroskopiska remsor av metallgaffel, skär varandra igen, möter logiska grindar - tills de slutligen deponerar resultatet av beräkningen i en temporär minnesbank som kallas ett register. Låt oss säga att du vill multiplicera 4 med 6. Om du kunde sakta ner chippet och kika in i registret när den här beräkningen slutfördes, kan du se att värdet ändras många gånger, t.ex. från 4 till 12 till 8, innan du slutligen avgör ner till rätt svar. Det beror på att signalerna som sänds för att utföra operationen färdas längs många olika vägar innan de anländer till registret; först efter att alla signaler har avslutat sin resa är det korrekta värdet säkerställt. Klockans roll är att garantera att svaret är klart vid en given tidpunkt. Chipet är utformat så att även den långsammaste vägen genom kretsen - vägen med de längsta ledningarna och de flesta grindarna - garanteras att nå registret inom en enda klocka.

Med en central klocka som styr handlingen behöver ingenjörer inte oroa sig för de varierande längderna på miljontals oändligt små kablar; signaler kan anlända till registret i valfri ordning, så länge de alla sätter sig innan klockan nästa tickar. Team med hundratals ingenjörer kan samordna sitt arbete runt klockans förenande princip. Och det drar vi alla nytta av: disciplinen klockbaserad design har gjort det möjligt för magin med exponentiell tillväxt i chipprestanda att bestå i mer än 30 år. Klockan måste gå ner som en av de mest briljanta idéerna inom design, säger Kevin Normoyle, en Distinguished Engineer på Sun som arbetar med designen av Suns Sparc-mikroprocessorer. Det är så enkelt, och ändå är det ett tillvägagångssätt som har skalats upp och nu fungerar för miljontals transistorer.

Men efter en punkt blir att höja klockhastigheten en övning för att minska avkastningen. Det är därför ett en-gigahertz-chip inte går dubbelt så snabbt som ett 500-megahertz-chip. Klockan, genom det arbete den måste göra för att koordinera miljontals transistorer på ett chip, genererar sin egen overhead. Ju snabbare klockan är, desto större blir overheaden. Klockan i en toppmodern mikroprocessor kan konsumera upp till 30 procent av chipets beräkningskapacitet, med den andelen som ökar i allt snabbare takt när klockhastigheterna ökar. Det är som om en fabrik blev överkörd av handledare med stoppur som förbättrade effektiviteten men som också tog upp mer och mer utrymme som innehas av arbetare och maskiner.

Klockade chip blir också allvarliga kraftsvin: jobbet att koordinera tiotals miljoner transistorer med en miljard ticks per sekund kräver förbrukning av mycket energi, varav det mesta slutar som värme. Patrick Gelsinger, teknikchef på Intel, hänvisade till problemet i sitt huvudtal vid International Solid-State Circuits Conference i februari förra året. Gelsinger skämtade bara halvt när han sa att om mikroprocessorer fortsätter att drivas av allt snabbare klockor, så kommer ett chip 2005 att gå lika varmt som en kärnreaktor.

Det kanske mest pressande problemet med konventionella mikroprocessorer är dock att du bara kan snabba upp chipets klocka så mycket innan du slår in i några obekväma fysiska verkligheter. I dagens en-gigahertz-chips kan elektroniska pulser som betecknar binära ettor och nollor knappt ta sig över chippet inom ett enda slag från klockan. Men i de två gigahertz-chips som förväntas komma inom de närmaste åren kommer det inte längre att vara sant. Den roll som klockan spelar nu, synkronisera allt arbete på ett chip, kommer att börja gå sönder.

Klocklös till räddningen

Genom att kasta ut klockan kommer chiptillverkarna att kunna fly från denna bindning. Klockfria chips drar bara ström när det finns nyttigt arbete att göra, vilket möjliggör enorma besparingar i batteridrivna enheter; en asynkron-chip-baserad personsökare som marknadsförs av Philips Electronics, till exempel, kör nästan dubbelt så länge som
konkurrenternas produkter, som använder konventionella klockade chips.

Liksom ett hästspann som bara kan springa lika fort som sin långsammaste medlem, kan ett klockat chip inte springa snabbare än sin mest långsamma logik; svaret är inte garanterat förrän varje del har slutfört sitt arbete. Däremot kan transistorerna på ett asynkront chip byta information oberoende, utan att behöva vänta på allt annat. Resultatet? Istället för att hela chippet kör med hastigheten för dess långsammaste komponenter, kan det köras med medelhastigheten för alla komponenter. Hos både Intel och Sun har detta tillvägagångssätt lett till prototypchips som går två till tre gånger snabbare än jämförbara produkter som använder konventionella kretsar.

Se på det så här, säger Intels Ebergen. Du ger mig en mapp, jag jobbar på den, jag ger tillbaka den till dig, och det faktum att jag ger tillbaka den indikerar att jag är klar. Vi behöver inte kommunicera var femte sekund. Vi kanske gör jobbet mycket snabbare genom att komma överens mellan oss två när vi ska börja saker och ting göra och inte oroa oss för att synkronisera vårt arbete varje steg på vägen.

En annan fördel med klockfria chips är att de avger mycket låga nivåer av elektromagnetiskt brus. Ju snabbare klockan är, desto svårare är det att förhindra en enhet från att störa andra enheter; att avstå från klockan eliminerar allt detta problem. Kombinationen av lågt brus och låg strömförbrukning gör asynkrona chips till ett naturligt val för mobila enheter. Den lågt hängande frukten för klockfria chips kommer att finnas i kommunikationsenheter, med början i mobiltelefoner, säger Yobie Benjamin, en teknikstrateg för konsultföretaget Ernst and Young. Så övertygad är Benjamin om teknikens löfte att han personligen har investerat i Asynchronous Digital Design, en klocklös startup från Caltech.

Två andra nya företag, Theseus och Manchester, England-baserade Self-Timed Solutions, fokuserar på klockfria chips för smarta kort. Fant hävdar att ett nyckelproblem med att hålla tillbaka smartkort är att konventionella chips gör det enkelt att knäcka chipets säkerhetskoder genom att titta på signalerna. Klockan är som en stor signal som säger: Okej, titta nu, säger Fant. Det är som att leta efter någon i ett marschband. Asynkron är mer som en fräsande folkmassa. Det finns ingen tydlig signal att titta på. Potentiella hackare vet inte var de ska börja.

Hastighet, energieffektivitet och smygande låter som viktiga mål för alla chip, inte bara de som används i ett fåtal nischapplikationer. Men medan Sun, IBM och Intel alla har små forskargrupper som arbetar med asynkron design för specialtillämpningar, har varken de eller någon annan tillkännagett arbete med en klocklös mikroprocessor för allmänt bruk. Detta verkar vara ett konstigt förbiseende. En industri som anser att förbättringen av processorhastigheten är ett nästan heligt mål har övergivit en av de mest lovande vägarna för att få chips att gå snabbare. Du måste bara fråga varför.

Varför skrotade Intel till exempel sitt asynkrona chip? Svaret är att även om chippet gick tre gånger så snabbt och använde hälften av den elektriska effekten som klockade motsvarigheter, var det inte tillräckligt med en förbättring för att motivera ett skifte till en radikal teknik. Ett asynkront chip i labbet kan vara flera år före alla synkrona konstruktioner, men design-, test- och tillverkningssystemen som stöder konventionell mikroprocessorproduktion har fortfarande ungefär 20 års försprång på allt som stöder asynkron produktion. Alla som planerar att utveckla ett klocklöst chip måste hitta ett sätt att kortsluta den ledningen.
Om du får tre gånger så mycket kraft med en asynkron design, men det tar fem gånger så lång tid för dig att komma till marknaden, förlorar du, säger Intels seniorforskare Ken Stevens, som arbetade på det asynkrona projektet 1997. Det räcker inte att vara en visionär, eller att säga hur stor den här tekniken är. Allt handlar om huruvida du kan göra det tillräckligt snabbt och tillräckligt billigt, och om du kan fortsätta göra det år efter år.

Philips asynkrona chip har gett företagets personsökare möjligheten att hålla nästan dubbelt så länge, på samma batterikraft, som klockade alternativ. Men debuten 1998 följde på ett decennium av dedikerad forskning. Asynkrona forskare från början förstod att deras uppgift inte bara var att bygga ytterligare ett chip, utan snarare att bygga ett sätt att designa, testa och tillverka det chipet. Och det var inte lätt.

Spelar Catch-Up

Det första enorma hindret för att få ut klockfria chips på marknaden är bristen på automatiserade verktyg för att påskynda designen. För tjugo år sedan kunde en handfull ingenjörer lägga ut ett chips kretsar på papper. Idag arbetar hundratals ingenjörer i team, och det enda hoppet om att samordna sina handlingar är att använda sofistikerade datorstödda verktyg. Men asynkrona designers står inför ett kyckling-och-ägg-problem: om det inte finns någon massmarknad för asynkrona chips, finns det få incitament att skapa verktyg för att bygga dem; om det inte finns några verktyg produceras inga spån. Samma problem gäller utvecklingen av teknik för chiptestning. Utan någon betydande mängd asynkrona kretsar att testa finns det ingen marknad för testverktyg från tredje part.

När det gäller sina personsökarchips, beslutade Philips att den enda utvägen ur denna fälla var att investera i att utveckla de verktyg de behövde. Efter 13 års forskning är vi nu nära en effektiv och effektiv testmetod för asynkrona kretsar, säger Philips forskare Kees van Berkel, som har arbetat i den holländska jättens asynkrona team sedan början av 1980-talet. Och Philips är inte ensam i denna strävan. I ett försök att skapa fart för asynkrona chips har två datavetare - Steven Nowick vid Columbia University och Steve Furber vid University of Manchester - utvecklat designverktyg som de ger bort som shareware. Verktyg är nu showstopparna, säger Nowick. Om du inte har verktyg kan du inte göra saker på bärbara sätt, och du kan inte utbilda människor att bli experter.

Utöver en ny generation design- och testutrustning kräver en framgångsrik utveckling av klockfria chips människor som förstår asynkron design. Sådan talang är knapphändig, eftersom asynkrona principer strider mot hur nästan varje universitet undervisar sina ingenjörsstudenter. Konventionella chips kan ha värden som kommer till ett register felaktigt och ur sekvens; men i ett klocklöst chip måste värdena som kommer in i register vara korrekta första gången. Ett sätt att uppnå detta mål är att ägna stor uppmärksamhet åt sådana detaljer som längden på ledningarna och antalet logiska grindar som är anslutna till ett givet register, för att därigenom säkerställa att signaler färdas till registret i rätt logisk sekvens. Men det innebär att vara mycket mer noggrann med den fysiska designen än vad synkrondesigners har utbildats att vara.

Ett alternativ, som används av Theseus och andra, är att öppna upp en separat kommunikationskanal på chippet. Klockade marker representerar ettor och nollor med låg och hög spänning på en enda tråd; Dual-rail kretsar, å andra sidan, använder två ledningar, vilket ger chipets kommunikationsvägar, inte bara för att skicka bitar, utan också för att skicka handskakningssignaler för att indikera när arbetet har slutförts. Fant föreslår dessutom att det konventionella systemet för digital logik ersätts med vad han kallar nollkonventionslogik, ett schema som identifierar inte bara ja och nej, utan även inget svar ännu - ett bekvämt sätt för klockfria chips att känna igen när en operation ännu inte har slutförts . Alla dessa idéer och tillvägagångssätt är tillräckligt olika för att genomföra dem kan förvirra sinnet hos en ingenjör som är utbildad att designa i takt med en klocka. Det är ingen överraskning att de två nyaste asynkrona startupen, Asynchronous Digital Devices och Self-Timed Solutions, är befolkade av studenter som kommer från Caltech och University of Manchester, där forskning om klocklös chip har pågått längst.

För att ett chip ska bli framgångsrikt måste alla tre delarna – designverktyg, tillverkningseffektivitet och erfarna designers – mötas. Den asynkrona kadern har mycket lovande idéer, säger Max Baron, mikroprocessoranalytiker och redaktör för industrinyhetsbrevet Mikroprocessorrapport . Men de har inte själva maskinen, och de har inte bevisat att de vet hur man bygger den.

Även om det kommer att ta mycket längre tid för klockfria chips att bli mainstream, ser vi redan början på den övergången också. Intel, som lade ner sitt projekt för asynkrona kretsar 1997, inkorporerade delar av sin klockfria teknologi i Pentium 4-chippet som släpptes i år. Vi introducerar asynkron design från botten och upp och designar in några delar av oklockad logik i ett chip som fortfarande är av konventionell design, säger Stevens. Vid denna tidpunkt, om vi kan göra något asynkront, och det är bättre när det gäller strömförbrukning, kommer vi att göra det.

Så hur är det med Karl Fants flamboyant förutspådda revolution? I en så mogen industri som chiptillverkning finns det ingen som kan ersätta diktatur med anarki över en natt. Men med tiden kommer balansen förmodligen att skifta mot klocklös design; tillräckligt många artiklar kommer att skrivas, tillräckligt med verktyg byggas, tillräckligt många ingenjörer utbildas till att det inte längre kommer att vara orealistiskt att föreställa sig att marknadsföra ett sådant chip även utanför specialiserade nischer. När folk väl förstår hur man gör detta lätt blir det mer naturligt att tänka på asynkron, säger Suns ingenjör Normoyle. Folk kommer inte att göra det för att det är intressant. Vi kommer att göra det för att det är enklare än något annat. Vårt enda mål är att bli bättre än de andra killarna. Switchen kommer när synkron inte längre är tillräckligt bra.

Vinnarna i denna nästa våg av innovation blir de företag som väljer rätt tidpunkt att hoppa av kurvan. Klockfria chips har löftet att revolutionera branschen, att snabbt accelerera den obevekliga strävan mot snabbare och billigare chips som vi har kommit att förvänta oss av Moores lag. Vem ska säga vad som kan vara möjligt? Varför inte ett helt asynkront chip som är kompatibelt med Intel-produkter?

Om någon gör det kommer de att ha en allvarlig konkurrensfördel under ett antal år, säger Intels Stevens. Översättning? Så ja, vi är oroliga.
Låt anarkin börja.

Dölj