About / Advertise
Sun och Intel har byggt klocklösa processorer som är dubbelt så snabba som sina klockade motsvarigheter. Men att helt övergå till klocklöst är ett genomgripande teknikskifte som ännu låter vänta på sig.
Varje gång klockan tickar slår grindar om. Så fungerar traditionella processorer. även grindar som inte utför beräkningsarbete drar ström.
Idag finns processorer som stänger av klockan till de delar som inte används. Men det finns en mer drastisk lösning: att ta bort klockan helt och hållet. Då står alla oanvända grindar stilla.
Klocklösa kretsar skickar data som paket mellan sig. Antingen synkroniserar de sig med handskakning. Eller också gör de rent hus med alla former av styrsignalering och använder speciella bitmönster för att markera att data ännu inte levererats.
Klocklös teknik används idag men potentialen är ännu högre anser dess förespråkare. De tror på ett teknikskifte där klockan till sist slängs ut.
Stora företag som Sun, Intel och Philips har forskat i klocklöst i ett decennium. Både Intel och Sun har byggt prototypprocessorer som har dubbla prestanda jämfört med motsvarande klockade chips.
Klockade processorer har haft en välförtjänt storhetstid. Genialiteten ligger i att arkitekten kan separera tid från logik. Processorns logik är enkel att simulera om man antar att synkroniseringen inte är ett problem. Och omvänt - det är lätt att simulera fördröjningar mellan in- och utgångar om man ignorerar logiken.
Mycket tid till felsöknig
Separationen har varit en styrka men håller på att bli en nackdel, enligt förespråkarna för klocklösa kretsar. Separationen mellan logik och synkronisering gäller inte längre. En stor del av avlusningen av en klockad arkitektur går åt till att identifiera och lösa synkroniseringsproblem. Justerar man ett block så uppstår tidsfel i en annan del.
Det grafiska gränssnittets uppfinnare, Ivan Sutherland, numera på Sun labs, är en central förespråkare för klocklös logik.
Ivan Sutherland har en drastisk lösning. Sluta upp att med att sätta logiken i centrum! Processorer ska programmeras genom att man anger mellan vilka kretselement som data ska skickas. Ivan Sutherland ser denna helomvändning som nödvändig för att kunna optimera program i dagens processorteknik där kommunikationskostnaden är betydande.
Förespråkarna ser många fördelar med klocklös design:
o Prestanda blir högre eftersom kretsar inte behöver vänta ut långsamma komponenter.
o Effektåtgången minskar eftersom endast kretsar som deltar i beräkningen drar ström.
o Klocklösa processorer genererar mindre radiostörningar. Kretsarna marscherar i otakt, som soldater över en bro. Det betyder att de har lättare att samsas med radiokretsar.
o Radiotystnaden betyder också att det är svårare att avlyssna ett klocklöst smartkort för att komma åt nycklar.
o Med klockan försvinner ledningarna som distribuerar pulsen. De kan utgöra upp till 15 procent av ytan på chipset.
Det stora problemet för klocklös teknik är bristen på verktyg. Det räcker inte att vara snabb och energisnål. Det behövs verktyg för alla steg i konstruktionen av ett chips: syntes, simulering, avlusning, testning och tillverkning.
nya verktyg på gång
De gamla verktygen för klockad konstruktion går inte att återanvända, eftersom de skiljer mellan logik och synkronisering vilka är intimt sammankopplade i klocklös design.
Klassisk hårdvarutestning fungerar inte. Det går inte att frysa ett klocklöst chip, skifta in nya registerinnehåll och stega fram klockan ett steg. Det finns ingen klocka. När man petat in ett paket i ena änden av ett klocklöst chip, vandrar det på eget bevåg genom chipet utan att kunna stoppas.
Just bristen på verktyg har varit ett argument mot klocklös teknik. Men nu börjar verktygen mogna och de är en central del av erbjudandet från de nya företagen, som Add och Self timed solutions.
Philips tioåriga forskning har resulterat i verktygslådan Tangram. Och Intel säger sig kunna integrera klocklös teknik överallt där den kan göra nytta.
Idag finns processorer som stänger av klockan till de delar som inte används. Men det finns en mer drastisk lösning: att ta bort klockan helt och hållet. Då står alla oanvända grindar stilla.
Klocklösa kretsar skickar data som paket mellan sig. Antingen synkroniserar de sig med handskakning. Eller också gör de rent hus med alla former av styrsignalering och använder speciella bitmönster för att markera att data ännu inte levererats.
Klocklös teknik används idag men potentialen är ännu högre anser dess förespråkare. De tror på ett teknikskifte där klockan till sist slängs ut.
Stora företag som Sun, Intel och Philips har forskat i klocklöst i ett decennium. Både Intel och Sun har byggt prototypprocessorer som har dubbla prestanda jämfört med motsvarande klockade chips.
Klockade processorer har haft en välförtjänt storhetstid. Genialiteten ligger i att arkitekten kan separera tid från logik. Processorns logik är enkel att simulera om man antar att synkroniseringen inte är ett problem. Och omvänt - det är lätt att simulera fördröjningar mellan in- och utgångar om man ignorerar logiken.
Mycket tid till felsöknig
Separationen har varit en styrka men håller på att bli en nackdel, enligt förespråkarna för klocklösa kretsar. Separationen mellan logik och synkronisering gäller inte längre. En stor del av avlusningen av en klockad arkitektur går åt till att identifiera och lösa synkroniseringsproblem. Justerar man ett block så uppstår tidsfel i en annan del.
Det grafiska gränssnittets uppfinnare, Ivan Sutherland, numera på Sun labs, är en central förespråkare för klocklös logik.
Ivan Sutherland har en drastisk lösning. Sluta upp att med att sätta logiken i centrum! Processorer ska programmeras genom att man anger mellan vilka kretselement som data ska skickas. Ivan Sutherland ser denna helomvändning som nödvändig för att kunna optimera program i dagens processorteknik där kommunikationskostnaden är betydande.
Förespråkarna ser många fördelar med klocklös design:
o Prestanda blir högre eftersom kretsar inte behöver vänta ut långsamma komponenter.
o Effektåtgången minskar eftersom endast kretsar som deltar i beräkningen drar ström.
o Klocklösa processorer genererar mindre radiostörningar. Kretsarna marscherar i otakt, som soldater över en bro. Det betyder att de har lättare att samsas med radiokretsar.
o Radiotystnaden betyder också att det är svårare att avlyssna ett klocklöst smartkort för att komma åt nycklar.
o Med klockan försvinner ledningarna som distribuerar pulsen. De kan utgöra upp till 15 procent av ytan på chipset.
 |
| KLOCKPULS. I dagens chips marscherar alla kretsblock efter en central klockpuls. HANDSKAKNING. Det finns två sätt för klocklösa att synkronisera sig. Ivan Sutherlands Micropipelines använder lokal handskakning. SYNKKODER. Null convention logic bakar in synkroniseringen i databussen. Varje logisk bit representeras av två bitledningar. "00" betyder "ej redo". |
Det stora problemet för klocklös teknik är bristen på verktyg. Det räcker inte att vara snabb och energisnål. Det behövs verktyg för alla steg i konstruktionen av ett chips: syntes, simulering, avlusning, testning och tillverkning.
nya verktyg på gång
De gamla verktygen för klockad konstruktion går inte att återanvända, eftersom de skiljer mellan logik och synkronisering vilka är intimt sammankopplade i klocklös design.
Klassisk hårdvarutestning fungerar inte. Det går inte att frysa ett klocklöst chip, skifta in nya registerinnehåll och stega fram klockan ett steg. Det finns ingen klocka. När man petat in ett paket i ena änden av ett klocklöst chip, vandrar det på eget bevåg genom chipet utan att kunna stoppas.
Just bristen på verktyg har varit ett argument mot klocklös teknik. Men nu börjar verktygen mogna och de är en central del av erbjudandet från de nya företagen, som Add och Self timed solutions.
Philips tioåriga forskning har resulterat i verktygslådan Tangram. Och Intel säger sig kunna integrera klocklös teknik överallt där den kan göra nytta.
Jan Tångring
