异步逻辑设计正在成为芯片设计界中偏向于保密的技术之一。对大多数工程师来说,异步设计是很好的论文题目来源,但对实际的设计实践却没有多大意义。持传统观念的学者认为,一方面,尚无法证明异步设计的正确性因而该技术本质上缺乏可靠性,另一方面,同传统的同步设计方法相比,该技术从未表现出令人信服的优势,而且缺乏相应的支持工具。
事实上,现在有越来越多的先进设计小组正在悄悄地采用异步技术。之所以悄悄地,是因为他们大多数人把该方法看成是一个独特的优势而不太愿意与他人分享。所以,虽然行业中的大多数人以及所有EDA公司都把目光投向其它方法,但异步逻辑设计正在在少数秘密使用者中迅速变成一种成熟的技术。
最早公开使用异步逻辑的公司之一是Fulcrum微系统公司。这家位于加州Calabasas Hills的公司最开始试图依靠一个工具链来吸引业内人士的兴趣。它宣称,这个工具链可以使受传统训练的设计者设计出无时钟的逻辑电路,但大多数设计者对此不感兴趣。
在这种情况下,该公司使用自己的工具开发出一种全异步的交叉开关技术,并把该技术应用在PivotPoint SPI-4交换芯片中。现在,约有15家制造商使用这种芯片作为网络处理板上的总线交换器。
在这个成就的基础上,Fulcrum正在把本质上相同的交叉开关内核使用到另一种应用中。这次是一系列10Gb以太网交换器件,最多可支持24个端口,产品代号为FocalPoint。
这个开关结构本身消耗的功率非常低,而且所消耗的功率总是与实际处理的数据速率成正比。所以,它可以不必使用EDA工具不支持的精密降耗技术(如动态电压调节)。由于这些异步路径的速度非常快,这种以传统的130纳米低漏电工艺制造的IC芯片可以提供全10Gb速度和200纳秒的总延迟时间。
另外,Fulcrum公司在如何选择性地采用异步设计方面也积累了一些经验。“在FocalPoint中,寄存器和Rambus以太网端口采用传统的同步设计,”该公司总裁兼CEO Robert Nunn说。但在该芯片中,大部分组件(如交叉开关及其SRAM等决定性能和功耗的组件)采用异步设计。
另一家长期提倡异步设计的公司是Handshake Solutions。该公司是飞利浦技术孵化集团(Philips Technology Incubator)的一家下属公司。Handshake公司也已经开发出其自己的异步流技术并主要把它用于智能卡市场。在该市场,超低功率要求和宽带电磁辐射模式使之成为一个理想的选择。
Handshake公司最近宣布已有一家外部公司(马来西亚微电子方案公司)购买了其8位微控制器内核的许可,并将之用于自己的芯片设计。这似乎同取得其它设计成就没有什么区别,但一家传统的独立无晶圆厂芯片公司购买全异步MCU内核的使用权表明业界对Handshake设计的优势和可靠性的一种认可。
第三个异步设计案例并未公开。Octasic半导体公司是回声消除、语音优化和分组语音(VoP)数据包管理方面的一家主要竞争者。该公司向EE Times透露,为达到超高吞吐量、对工艺变化不敏感、低功耗和超高硅效率等指标,其专有架构使用了无时钟管线。据Octasic公司CTO Doug Morrissey宣称,该公司已经开发出自己的异步设计工具,这些工具使得这些技术的使用变得很轻松。
显然,异步设计思想正悄悄地散播开来。熟知该技术的人士认识到,无时钟逻辑设计可能是解决未来CMOS工艺所面临的诸多问题(高静态和动态功耗、工艺引起的时序变化、低信号完整性和受限制的性能等)的唯一方式。
但是异步设计仍缺乏商用EDA工具,这种状况太糟糕了。
作者:张国勇
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