Asynkron teknik räddar Moores lag

Tekniken Gals klarar klockdistributionen när geometrierna krymper

Asynkron kommunikation mellan öar av synkrona kretsar. Det är så framtidens system på kisel kommer att byggas.Tekniken kallas Gals. Den kommer att göra det möjligt att fortsätta teknikutvecklingen och öka antalet grindar på chipsen.

Kommunikationen är asynkron

Den stora frågan för Gals är vilken teknik som ska användas för den asynkrona kommunikationen. Öarna har separata klockor som dessutom inte behöver ticka i samma hastighet.

Enkla lösningar ökar risken för så kallad metastabilitet, som innebär att utgången på en grind fastnar i ett tillstånd mellan noll och ett. Felet uppstår, med en viss liten sannolikhet, när timingen mellan signalerna råkar bli olycklig.

Det går att lösa problemet genom att låta data passera två låskretsar. Problemet är att den lösningen konsumerar två klockcykler och halverar kommunikationshastigheten.

Ett forskarlag från brittiska Cambridgeuniversitetet har nyligen presenterat en lösning som undviker metastabilitet och behåller datahastigheten. Lösningen tillåter dessutom sändare och mottagare att gå i vila, frysa klockan, i väntan på nya data.

Det ser alltså ut som om den asynkona kommunikationen i Gals kan lösas effektivt.

Sedan halvledarindustrins begynnelse har tillverkarna varit kompromisslösa på en punkt: alla grindar i processorn ska gå i samma takt, synkront.

Men synkron design närmar sig nu sin yttersta gräns.

Gränsen ligger på 65 nanometer, ungefär. Det säger den välrenommerade expertgruppen ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors).

Problemet är att det är omöjligt att distribuera klockpulsen så att den landar samtidigt på hela chipsytan.

klockan går omvägar

Med dagens processorfrekvenser är ljushastigheten en flaskhals. Klockpulsen segar sig fram i slow motion. Den förgrenas och går omvägar för att få lika lång väg till alla platser.

Men snart fungerar inte ens den tekniken längre eftersom precisionen i tillverkningen inte till rimligt pris kan skapa samma fördröjning i vägarna. Som exempel har Intels Itaniumprocessor programmerbara kretselement som aktivt jämnar ut skillnaderna i fördröjning.

Tidsskillnaderna fortsätter växa medan geometrierna krymper och klockan tickar fortare. Och kostnaden i energi och kretsyta för att lappa över problemet blir allt högre.

Så snart är det slut på den ordnade marschen. Det säger ITRS. Chipset kommer att delas upp i mindre öar. På öarna går alla i takt enligt sin lokala klocka.

Mellan öarna är kommunikationen asynkron.

Tekniken kallas Gals (globalt asynkron, lokalt synkron) och uppfanns redan på 1960-talet. När vi närmar oss gränsen för synkron teknik blir Gals räddaren i nöden.

Diana Marculescu

-- Jag tror att Gals har en framtid, absolut! säger Diana Marculescu, forskare på Carnegie Mellon-universitetet i USA.

-- Jag tror IBM, Intel och andra är medvetna om att utan Gals kan dagens teknologier bara hålla liv i
Moores lag i 5--10 år till.

Det är lätt att argumentera för detta sätt att bygga system-på-kisel -- i små oberoende öar.

Oberoendet ger en modularitet och kommunikationen ger ett standardiserat sätt att binda samman oberoende IP-block till större system.

Sparar energi

Ytterligare en fördel är att Gals lånar sig väl till energispartekniker som att strypa klockan och minska spänningen.

-- Jag vet inte hur man skulle kunna bygga nästa generation av strömsparande kretsar utan att använda sig av "öar" som styr sin egen klockhastighet och spänning, säger Diana Marculescu.

-- Gals tillåter en precision i effektstyrning som inte är möjlig med någon annan teknik.

Diana Marculescu tror att just effektstyrningen är något som fått industrin att börja intressera sig.

-- Arkitekter, systemingenjörer och kretskonstruktörer är på jakt efter metoder att spara energi genom finkornig reglering av effekten. Den ökande effektdensiteten tvingar dem till det.

Asynkron teknik har länge stoppats av bristen på verktyg för konstruktion och test.

Det fina med Gals är att man kan fortsätta använda de gamla verktygen för att bygga öarna, som ju fortsätter att vara synkrona.

Gals introducerar bara just så pass mycket asynkronicitet som behövs för att ordna klockdistributionen. Det enda nya som behövs är verktyg för det asynkrona gränssnittet mellan öarna.

-- Gals är en bra kompromiss mellan synkron och asynkron design, säger Diana Marculescu.

KLassiskt använder hela chipset samma klocka. I GALS anvönds lokala klockor. Kommunikationen mellan blocken är asynkron.

Jan Tångring