211service.com
Logik från kaos
Ett omkonfigurerbart chip utvecklat av ChaoLogix i Gainesville, FL, gör det möjligt att omvandla en krets från en typ till en annan på ett ögonblick. Att ha möjligheten att effektivt designa om chips ett obegränsat antal gånger efter att de har tillverkats kan göra chips snabbare och mer robusta. Och i slutändan kan det sänka kostnaderna för att producera integrerade kretsar genom att minska behovet av att tillverka dyra, specialbyggda chips.
De nya chipsen fungerar genom att utnyttja inneboende kaotiskt beteende inom de integrerade kretsarna, vilket gör att en enda enkel krets kan bete sig som vilken logisk grind som helst. Ett sådant chip kan till exempel omvandlas från ett grafikkort till ett minneschip och tillbaka igen – på bara två datorklockcykler. Vi har suddat ut gränsen mellan mjukvara och hårdvara, säger William Ditto , chief technology officer för ChaoLogix, som spreds ur forskning vid University of Florida.
I många avseenden liknar konceptet utvecklingen av mjukvarudefinierade radioapparater [SDRs], säger Ditto. Dessa är enheter som använder en kombination av specialbyggda integrerade kretsar och befintliga omkonfigurerbara kretsar för att tillhandahålla en flexibel blandning av hårdvara och mjukvara, för att göra trådlösa enheter som kan anpassas till att fungera vid olika radiofrekvenser och standarder. Men medan SDR:er bara kan göra radioenheter och bestå av flera kretsar designade för att utföra trådlösa funktioner, kan ChaoLogix kretsar i teorin ersätta alla dessa kretsar i en enda enhet.
Befintliga omkonfigurerbara kretsar, kallade FPGA:er (field programmeable gate arrays), innehåller programmerbara sammankopplingar som kan kopplas om för att utföra olika funktioner. Men FPGA:er är relativt långsamma att konfigurera om, vilket vanligtvis tar millisekunder för varje omkoppling, eller ungefär en miljon gånger långsammare än ChaoLogix chips.
På grund av denna begränsning tenderar FPGA:er att konfigureras om endast en gång för att bilda en enda permanent krets, vanligtvis som relativt billiga alternativ till att bygga dedikerade chips. Att göra ett dedikerat chip är väldigt dyrt, säger Allan Cantle, vd för Nallatech , i Glasgow, Skottland, som utvecklar mjukvara för FPGA. Du kan enkelt spendera tiotals miljoner dollar bara för att göra ditt första fungerande chip.
Istället för att använda programmerbara sammankopplingar är ChaoLogix tillvägagångssätt att använda fasta kretsar och istället utnyttja deras inneboende brus eller kaos för att få dem att producera olika utgångar utan att ändra dem. Normalt består kretsarna på ett chip av arrangemang av transistorer utformade för att bete sig som en specifik typ av digital logisk grind, såsom en NAND- och NOR-grind. Men om ingångsspänningarna till dessa kretsar faller under vissa tröskelvärden, blir deras beteende kaotiskt, vilket ger oönskade utsignaler.
ChaoLogix trick är att använda dessa kaotiska tillstånd. De har designat en logisk grindkrets som kan bete sig som vilken typ av logisk grind som helst – om ingångsspänningarna är precis rätt.
Den vanliga uppfattningen att kaotiska system är instabila och oförutsägbara är inte korrekt, säger Ditto. Sådana system kan vara extremt känsliga för förändringar, och det är möjligt att producera önskade tillstånd på ett tillförlitligt och reproducerbart sätt förutsatt att du säkerställer att endast mindre ändringar görs av ingångarna.
Bara att göra små ändringar i ingången kan du anpassa [en krets] för att göra helt andra saker, säger Celso grebogi , professor i olinjära och kaotiska system vid University of Aberdeen i Skottland. Detta skapar en större grad av flexibilitet, eftersom det gör fler stater tillgängliga i ett givet system, säger han. På grund av detta ser Grebogi ingenjörer alltmer vända sig mot kaos för att få ut mer av sin hårdvara.
Detta skulle vara mycket användbart för vanliga datortillämpningar, säger Julian Miller , lektor i elektronik vid University of York i England, som har använt FPGA:er för evolutionära datortillämpningar. För närvarande, för hans syften, är FPGA:er helt enkelt för långsamma. Det är ett stort problem, säger han. Att kunna konfigurera om ett chip inom en enda klockcykel skulle vara en stor fördel, säger han.
ChaoLogix har kommit till det stadiet där det kan skapa vilken typ av grind som helst från en liten krets på cirka 30 transistorer. Denna krets upprepas sedan över chippet, som kan omvandlas till olika arrangemang av logiska grindar i en enda klockcykel, säger Ditto.
Trots att den har uppmärksammats av både Intel och AMD är tekniken fortfarande i början, säger Ditto. ChaoLogix samlar in 2 miljoner dollar för att producera en rad prototyper. Men även om företaget bara kan vinna en liten del av chipmarknaderna kommer det att bli enormt, säger Ditto.
Förutom att vara extremt snabb har användningen av en enda krets stora fördelar jämfört med FPGA. Sättet som FPGA:er är utformade på tar upp mycket kiselfastigheter och förbrukar mycket resurser. Med ChaoLogix’ chips har du en bil i ett mindre garage, och den kan växla mellan hundra olika biltyper, säger Ditto.
Det är inte första gången någon har försökt utveckla omkonfigurerbara chips med en klockcykel. Det är väl upptrampad mark, säger Cantle. De flesta företag som har försökt har kommit och gått. En av utmaningarna ligger i mjukvaran som krävs för att konfigurera om chippet, säger man Mark Parsons , kommersiell chef för Edinburgh Parallel Computing Center i Skottland, som använder FPGA:er för att göra en superdator som en del av ett gemensamt industri- och akademiskt projekt. De är fortfarande väldigt svåra att programmera, förklarar han. Det är inte bara komplicerat att utforma varje konfiguration, utan varje mjukvarumall som beskriver konfigurationen tar upp beräkningsresurser.
Andra håller med. Framgången för ett omkonfigurerbart chip beror inte bara på vad det kan göra, säger man André DeHon , biträdande professor i datavetenskap vid California Institute of Technology i Pasadena. Om det visar sig vara för komplicerat för de flesta programmerare kanske det aldrig kommer igång.