Det er tid til urløse chips

Vi erstatter diktatur med anarki! Karl Fant fortæller mig eftertrykkeligt. Hestehale og animeret, grundlæggeren og den tekniske chef for Theseus Logic fylder whiteboardet med fejende illustrative eksempler og knæler ned for at bruge hver en smule ledig skriveplads. Han er i sine sokker. Til sidst vil hver chip blive designet på denne måde, erklærer han. Det er uundgåeligt!

Selv i Silicon Valley, hvor virksomhedens grundlæggere er kendt for at hengive deres ikke-konforme tendenser, kommer Fants Sunnyvale, CA, kontor som en overraskelse. Hans lave skrivebord er dækket af en formløs masse af notater og transskriptioner og andre papirsting, alt sammen en smule mod midten. Der er ingen stole-kun puder strøet kunstløst rundt på gulvet. Hvis du tilfældigvis er mig, begynder du at fortryde at have en kjole på og spekulerer på, hvor præcis du skal sidde. Men nej: Fant fører dig til et konventionelt mødelokale ved siden af, hvor der heldigvis er en stol. Det er her, han begynder at evangelisere om den kommende revolution, der har til formål at fjerne computerchips fra fortidens begrænsninger.

Hvordan? Ved at smide uret ud, den grundlæggende måde, som chips, siden computeralderens begyndelse, har organiseret og udført deres arbejde. Selv de af os, der ikke ved noget om mikroprocessorer, ved noget om deres ure - Intel har i årevis brugt clockhastigheden på sine mikroprocessorer som et marketingværktøj, hvor hurtigere er bedre. Det tal, der dominerer de fleste computerannoncer, sammen med prisen, er en etiket som 1,3 GHz (eller gigahertz). Det tal refererer til hastigheden af ​​uret, der styrer den interne drift af maskinens mikroprocessor. Inden for hver en-gigahertz mikroprocessor, for eksempel, ligger der en oscillerende krystal, der tikker en milliard gange i sekundet. Ingeniører er uddannet til at designe chips, hvor deres første overvejelse er at få arbejdet gjort, før det næste ur-tick kommer omkring. En chip uden et ur ville være omtrent lige så nyttig som en side med tekst uden mellemrum mellem bogstaverne. For de fleste chipdesignere er det svært at forestille sig at smide uret ud.

Men ikke for Fant eller hans andre ikonoklaster, der arbejder på urløse chips hos startups, universiteter og virksomheders laboratorier. Det er en lille gruppe ivrige troende. Deres årlige konference tiltrækker kun et par hundrede deltagere. Ledere på området kender hinanden godt og har hinandens mobiltelefonnumre gemt. Men selvom deres metoder og markeder adskiller sig, er de forenet i deres tro på, at clockede chips har kørt deres gang, og er overbeviste om, at fordelene ved deres maverick-tilgang, alternativt kendt som asynkront design eller selv-timede kredsløb, er så store, at chippen industrien vil i sidste ende ikke have andet valg end at omfavne det.

Designere er klar over, at det bliver mere og mere vanskeligt at distribuere et ur på tværs af stadig mere komplicerede systemer, og at det før eller siden ikke vil fungere, siger Alain Martin, professor i datalogi ved Caltech, som byggede den første urløse mikroprocessor i 1989 Han påpeger, at efterhånden som chips bliver mere komplekse, bliver mere og mere af den kraft, det kræver at køre dem, spist op af selve uret, som nu skal koordinere arbejdet i millioner af transistorer.

At undvære denne overhead giver store fordele for asynkrone chips. Den ene er stærkt forbedret elektrisk effektivitet, som direkte fører til forlænget batterilevetid. Den urløse teknologi giver også en fordel med hensyn til computerhastighed. I laboratorier hos Sun Microsystems, Intel og IBM har clockless chips øget tempoet, hvormed avancerede processorer udfører deres arbejde. I 1997 udviklede Intel en asynkron, Pentium-kompatibel testchip, der kørte tre gange så hurtigt, på halv kraft, som dens synkrone ækvivalent.

Hos Theseus har Fant fokuseret på endnu en fordel ved asynkront design. Fordi disse chips ikke afgiver noget regelmæssigt timet signal, som clockede kredsløb gør, kan de udføre kryptering på en måde, der er sværere at identificere og knække. Forbedret kryptering gør asynkrone kredsløb til et oplagt valg for smart-kort - de chip-forsynede plastikkort begynder at blive brugt til sådanne sikkerhedsfølsomme applikationer som opbevaring af lægejournaler, elektronisk udveksling af penge og personlig identifikation.

Har Fant, Martin og andre urløse mestre ret? Helt ærligt, ja. Og alligevel på trods af teknologiens klare fordele, forbliver urløse chips mere teori end praksis. Intel-enheden kom for eksempel aldrig ud af laboratoriet. At urløse chips ikke vinder terræn, gør dem faktisk til et perfekt casestudie af en udvikling med overvældende løfter, som alligevel står over for enorme forhindringer for markedsintroduktion - selv i en industri kendt for kontinuerlig og hurtig innovation.

Vejen Ikke taget

Grundlæggerne af moderne computerteknologi overvejede asynkront design allerede i 1946. Men disse tidlige computeringeniører valgte i stedet at gå med et ur. På det tidspunkt var det det rigtige valg, siger Jo Ebergen, en senior stabsingeniør hos Sun, som arbejder i en asynkron forskergruppe ledet af Sun-stipendiat og vicepræsident Ivan Sutherland. (I 1989 skrev Sutherland, bedst kendt som en pioner inden for computergrafik, et papir, der næsten på egen hånd genoptog interessen for clockless-chip-teknologi.) De omstændigheder, hvorunder de skulle designe, ved hjælp af vakuumrør og relækredsløb, betød, at de kunne virkelig ikke bygge en pålidelig computer uden et ur, der styrer det hele, tilføjer han. Ved at bruge et ur kunne ingeniører indbygge fejlsikre foranstaltninger, der gjorde computere pålidelige, selv når de dele, de var lavet af, ikke var det.

Fra det første valg kom dampvalseeffekten af ​​Moores lov, hvor næsten al forskning, udvikling og produktion i halvlederindustrien har fokuseret på clockede chips. I 1960'erne var begrebet urløse chips næsten forsvundet - kun holdt i live af et esoterisk papir eller to, der kom fra universiteterne. I dagens chips forbliver uret derfor den vigtigste del af handlingen. Når en mikroprocessor udfører en given operation, bevæger elektroniske signaler sig langs mikroskopiske striber af metalforgrening, krydser hinanden igen, møder logiske porte - indtil de endelig deponerer resultaterne af beregningen i en midlertidig hukommelsesbank kaldet et register. Lad os sige, at du vil gange 4 med 6. Hvis du kunne sænke chippen og kigge ind i registeret, mens denne beregning var ved at blive fuldført, vil du måske se værdien ændre sig mange gange, f.eks. fra 4 til 12 til 8, før du endelig afregner ned i det rigtige svar. Det skyldes, at de signaler, der transmitteres for at udføre operationen, bevæger sig ad mange forskellige veje, før de ankommer til registeret; først efter at alle signaler har fuldført deres rejse, er den korrekte værdi sikret. Urets rolle er at garantere, at svaret er klar på et givet tidspunkt. Chippen er designet således, at selv den langsomste vej gennem kredsløbet - stien med de længste ledninger og flest porte - er garanteret at nå registeret inden for et enkelt clock-tick.

Med et centralt ur, der styrer handlingen, behøver ingeniører ikke at bekymre sig om de varierende længder af millioner af uendeligt små ledninger; signaler kan ankomme til registret i vilkårlig rækkefølge, så længe de alle sætter sig, inden klokken næste tikker. Teams på hundredvis af ingeniører kan koordinere deres arbejde omkring urets samlende princip. Og det gavner vi alle: disciplinen ur-baseret design har gjort det muligt for magien ved eksponentiel vækst i chip-ydeevne at vare ved i mere end 30 år. Uret skal gå ned som en af ​​de mest geniale ideer inden for design, siger Kevin Normoyle, en Distinguished Engineer hos Sun, der arbejder på designet af Suns Sparc-mikroprocessorer. Det er så enkelt, og alligevel er det en tilgang, der er opskaleret og nu fungerer for millioner af transistorer.

Men efter et punkt bliver det at skrue op for urets hastighed en øvelse i at mindske afkastet. Derfor kører en én-gigahertz-chip ikke dobbelt så hurtigt som en 500-megahertz-chip. Uret, gennem det arbejde, det skal udføre for at koordinere millioner af transistorer på en chip, genererer sit eget overhead. Jo hurtigere uret er, jo større bliver overhead. Uret i en avanceret mikroprocessor kan forbruge op til 30 procent af chippens computerkapacitet, hvor den procentdel stiger med en stadig hurtigere hastighed, efterhånden som clockhastighederne stiger. Det er, som om en fabrik blev overrendt med stopurssvingende tilsynsførende, som forbedrede effektiviteten, men som også optog mere og mere plads, som arbejdere og maskiner havde.

Klokkede chips bliver også seriøse strømsvin: Arbejdet med at koordinere titusinder af transistorer med en milliard ticks i sekundet kræver forbrug af en masse energi, hvoraf det meste ender som varme. Patrick Gelsinger, teknologichef hos Intel, henviste til problemet i sin hovedtale ved International Solid-State Circuits Conference i februar sidste år. Gelsinger spøgte kun halvt, da han sagde, at hvis mikroprocessorer fortsætter med at blive drevet af stadig hurtigere ure, så vil en chip i 2005 køre lige så varm som en atomreaktor.

Det måske mest presserende problem med konventionelle mikroprocessorer er dog, at du kun kan fremskynde chippens ur så meget, før du slår ind i nogle ubekvemme fysiske virkeligheder. I nutidens en-gigahertz-chips kan elektroniske impulser, der angiver binære enere og nuller, lige knap nå det over chippen inden for et enkelt slag fra klokken. Men i de to-gigahertz-chips, der forventes at ankomme inden for de næste par år, vil det ikke længere være sandt. Den rolle, uret spiller nu, og synkroniserer alt arbejdet på en chip, vil begynde at bryde sammen.

Urløs til undsætning

Ved at smide uret ud, vil chipproducenter være i stand til at flygte fra denne binding. Klokkeløse chips trækker kun strøm, når der er nyttigt arbejde at udføre, hvilket muliggør enorme besparelser i batteridrevne enheder; en asynkron-chip-baseret personsøger, som f.eks. markedsføres af Philips Electronics, kører næsten dobbelt så lang som
konkurrenternes produkter, som bruger konventionelle clockede chips.

Som et hold heste, der kun kan løbe lige så hurtigt som sit langsomste medlem, kan en clocked chip ikke løbe hurtigere end dens mest sløve logik; svaret er ikke garanteret, før hver del afslutter sit arbejde. Derimod kan transistorerne på en asynkron chip bytte information uafhængigt uden at skulle vente på alt andet. Resultatet? I stedet for at hele chippen kører med dens langsomste komponenters hastighed, kan den køre med gennemsnitshastigheden for alle komponenter. Hos både Intel og Sun har denne tilgang ført til prototypechips, der kører to til tre gange hurtigere end sammenlignelige produkter, der bruger konventionelle kredsløb.

Se på det på denne måde, siger Intels Ebergen. Du giver mig en mappe, jeg arbejder på den, jeg giver den tilbage til dig, og det faktum, at jeg giver den tilbage, indikerer, at jeg er færdig. Vi behøver ikke at kommunikere hvert femte sekund. Vi kan gøre arbejdet meget hurtigere ved at aftale mellem os to, hvornår vi skal sætte gang i tingene, og hvornår vi skal få tingene gjort, og ikke bekymre os om at synkronisere vores arbejde hvert skridt på vejen.

En anden fordel ved clockless chips er, at de afgiver meget lave niveauer af elektromagnetisk støj. Jo hurtigere uret er, jo sværere er det at forhindre en enhed i at forstyrre andre enheder; at undvære uret eliminerer næsten dette problem. Kombinationen af ​​lav støj og lavt strømforbrug gør asynkrone chips til et naturligt valg for mobile enheder. Den lavthængende frugt til urløse chips vil være i kommunikationsenheder, begyndende med mobiltelefoner, siger Yobie Benjamin, en teknologistrateg for konsulentfirmaet Ernst and Young. Så overbevist er Benjamin om teknologiens løfte, at han personligt har investeret i Asynchronous Digital Design, en urløs opstart fra Caltech.

To andre nye firmaer, Theseus og Manchester, England-baserede Self-Timed Solutions, fokuserer på clockless chips til smart cards. Fant hævder, at et centralt problem med at holde smart cards tilbage er, at konventionelle chips gør det nemt at knække chippens sikkerhedskoder ved at se signalerne. Uret er som et stort signal, der siger: Okay, se nu, siger Fant. Det er som at lede efter nogen i et marcherende band. Asynkron er mere som en fræsende skare. Der er ikke noget klart signal at se. Potentielle hackere ved ikke, hvor de skal begynde.

Hastighed, energieffektivitet og stealth lyder som vigtige mål for enhver chip, ikke kun dem, der bruges i nogle få nicheapplikationer. Men mens Sun, IBM og Intel alle har små forskergrupper, der arbejder med asynkrone designs til specialapplikationer, har hverken de eller nogen andre annonceret arbejdet med en urløs mikroprocessor til generelle formål. Det virker som en mærkelig forglemmelse. En industri, der anser forbedringen af ​​processorhastigheden for at være et næsten helligt mål, har forladt en af ​​de mest lovende muligheder for at få chips til at gå hurtigere. Du skal bare spørge hvorfor.

Hvorfor skrottede Intel for eksempel sin asynkrone chip? Svaret er, at selvom chippen kørte tre gange så hurtigt og brugte halvdelen af ​​den elektriske effekt som clockede modparter, var det ikke en forbedring nok til at retfærdiggøre et skift til en radikal teknologi. En asynkron chip i laboratoriet kan være år foran ethvert synkront design, men design-, test- og fremstillingssystemerne, der understøtter konventionel mikroprocessorproduktion, har stadig omkring 20 års forspring på alt, der understøtter asynkron produktion. Enhver, der planlægger at udvikle en urløs chip, bliver nødt til at finde en måde at kortslutte den ledning.
Hvis du får tre gange så meget kraft med et asynkront design, men det tager dig fem gange så lang tid at komme til markedet, taber du, siger Intels seniorforsker Ken Stevens, der arbejdede på det asynkrone projekt i 1997. Det er ikke nok at være visionær eller at sige, hvor fantastisk denne teknologi er. Det hele handler om, hvorvidt du kan gøre det hurtigt nok, og billigt nok, og om du kan blive ved med at gøre det år efter år.

Philips’ asynkrone chip har givet virksomhedens personsøgere muligheden for at holde næsten dobbelt så længe på samme batteristrøm som clockede alternativer. Men dens debut i 1998 fulgte et årti med dedikeret forskning. Asynkrone forskere forstod fra begyndelsen, at deres opgave ikke bare var at bygge endnu en chip, men snarere at bygge en måde at designe, teste og fremstille den chip på. Og det var ikke nemt.

Spiller Catch-Up

Den første store barriere for at bringe klokkeløse chips på markedet er manglen på automatiserede værktøjer til at accelerere deres design. For tyve år siden kunne en håndfuld ingeniører udforme en chips kredsløb på papir. I dag arbejder hundredvis af ingeniører i teams, og det eneste håb om at koordinere deres handlinger er at bruge sofistikerede computerstøttede værktøjer. Men asynkrone designere står over for et kylling-og-æg-problem: Hvis der ikke er noget massemarked for asynkrone chips, er der ringe incitament til at skabe værktøjer til at bygge dem; hvis der ikke er værktøj, produceres der ingen spåner. Det samme problem gælder for udviklingen af ​​chip-testteknologier. Uden nogen betydelig mængde asynkrone kredsløb at teste, er der ikke noget marked for tredjeparts testværktøjer.

Hvad angår deres personsøgerchips, besluttede Philips, at den eneste vej ud af denne fælde var at investere i at udvikle de værktøjer, den havde brug for. Efter 13 års forskning er vi nu tæt på en effektiv og effektiv testtilgang til asynkrone kredsløb, siger Philips-forsker Kees van Berkel, som har arbejdet på den hollandske gigants asynkrone team siden begyndelsen af ​​1980'erne. Og Philips er ikke alene i denne søgen. I et forsøg på at skabe momentum for asynkrone chips har to computerforskere - Steven Nowick ved Columbia University og Steve Furber ved University of Manchester - hver især udviklet designværktøjer, som de giver væk som shareware. Værktøjer er nu showstopperne, siger Nowick. Hvis du ikke har værktøjer, kan du ikke gøre tingene på bærbare måder, og du kan ikke uddanne folk til at blive eksperter.

Ud over en ny generation af design- og testudstyr kræver succesfuld udvikling af clockless chips folk, der forstår asynkront design. Et sådant talent er sjældent, da asynkrone principper stikker af over den måde, næsten alle universiteter underviser sine ingeniørstuderende på. Konventionelle chips kan have værdier, der ankommer til et register forkert og ude af rækkefølge; men i en urløs chip skal de værdier, der ankommer i registre, være korrekte første gang. En måde at opnå dette mål på er at være meget opmærksom på sådanne detaljer som længden af ​​ledningerne og antallet af logiske porte forbundet til et givet register, og derved sikre, at signaler går til registeret i den rigtige logiske rækkefølge. Men det betyder, at man er langt mere omhyggelig med det fysiske design, end synkrondesignere er blevet uddannet til at være.

Et alternativ, brugt af Theseus og andre, er at åbne op for en separat kommunikationskanal på chippen. Klokkede chips repræsenterer etaller og nuller ved hjælp af lav og høj spænding på en enkelt ledning; Dual-rail kredsløb, på den anden side, bruger to ledninger, hvilket giver chippen kommunikationsveje, ikke kun til at sende bits, men også til at sende håndtryksignaler for at indikere, hvornår arbejdet er afsluttet. Fant foreslår desuden at erstatte det konventionelle system med digital logik med det, han kalder null-konventionslogik, et skema, der identificerer ikke kun ja og nej, men også intet svar endnu - en bekvem måde for urløse chips at genkende, når en operation endnu ikke er afsluttet . Alle disse ideer og tilgange er forskellige nok til, at udførelsen af ​​dem kan forvirre sindet hos en ingeniør, der er uddannet til at designe i takt med et ur. Det er ingen overraskelse, at de to nyeste asynkrone startups, Asynchronous Digital Devices og Self-Timed Solutions, er befolket af studerende, der kommer fra Caltech og University of Manchester, hvor forskning i clockless-chip har stået på længst.

For at en chip skal have succes, skal alle tre elementer - designværktøjer, produktionseffektivitet og erfarne designere - mødes. Den asynkrone kadre har meget lovende ideer, siger Max Baron, mikroprocessoranalytiker og redaktør af branchens nyhedsbrev Mikroprocessor rapport . Men de har ikke selve maskinen, og de har ikke bevist, at de ved, hvordan man bygger den.

Selvom det vil tage meget længere tid for urløse chips at blive mainstream, ser vi allerede begyndelsen på den overgang også. Intel, som skrinlagde sit asynkrone-chip-projekt i 1997, inkorporerede elementer af sin clockless-teknologi i Pentium 4-chippen, som det udgav i år. Vi introducerer asynkront design nedefra og op, og designer nogle stykker uclocket logik i en chip, der stadig er af konventionelt design, siger Stevens. På dette tidspunkt, hvis vi kan gøre noget asynkront, og det er bedre med hensyn til strømforbrug, så vil vi gøre det.

Så hvad med Karl Fants flamboyant forudsagte revolution? I en industri så moden som chipsfremstilling er der ingen, der kan erstatte diktatur med anarki fra den ene dag til den anden. Men med tiden vil balancen sandsynligvis skifte mod urløst design; nok artikler vil blive skrevet, nok værktøjer bygget, nok ingeniører uddannet til, at det ikke længere vil være urealistisk at forestille sig markedsføring af sådan en chip selv uden for specialiserede nicher. Når først folk forstår, hvordan man gør dette nemt, bliver det mere naturligt at tænke på asynkron, siger Sun-ingeniør Normoyle. Folk vil ikke gøre det, fordi det er interessant. Vi vil gøre det, fordi det er nemmere end noget andet. Vores eneste mål er at være bedre end de andre. Switchen kommer, når synkron ikke længere er god nok.

Vinderne i denne næste bølge af innovation bliver de virksomheder, der vælger det rigtige tidspunkt at springe ud af kurven på. Klokkeløse chips har løftet om at revolutionere industrien, om hurtigt at accelerere den ubarmhjertige drift mod hurtigere og billigere chips, som vi er kommet til at forvente af Moores lov. Hvem skal sige, hvad der kan være muligt? Hvorfor ikke en helt asynkron chip, der er kompatibel med Intel-produkter?

Hvis nogen gør det, vil de have en seriøs konkurrencefordel i en årrække, siger Intels Stevens. Oversættelse? Så ja, vi er bekymrede.
Lad anarkiet begynde.

skjule