Je čas na Clockless Chips

Diktaturu nahrazujeme anarchií! Karl Fant mi důrazně říká. Zakladatel a hlavní technický ředitel Theseus Logic s culíky a animací plní bílou tabuli rozsáhlými ilustrativními příklady a klečí, aby využil každý kousek dostupného místa pro psaní. Je v ponožkách. Nakonec bude takto navržen každý čip, prohlašuje. Je to nevyhnutelné!

Dokonce i v Silicon Valley, kde je známo, že zakladatelé společností holdují svým nonkonformním tendencím, je kancelář Fant’s Sunnyvale, CA, překvapením. Jeho nízký stůl je pokrytý beztvarou masou poznámek a přepisů a dalších papírových věcí, které se všechny mírně hromadí uprostřed. Na podlaze nejsou bezelstně rozházené polštáře pouze se židlemi. Pokud jste to já, začnete litovat, že jste si vzali šaty, a budete přemýšlet, kde přesně máte sedět. Ale ne: Fant vás zavede do konvenční konferenční místnosti vedle, kde je naštěstí židle. Zde začíná evangelizovat o nadcházející revoluci, jejímž cílem je vyrvat počítačové čipy z omezení minulosti.

Jak? Vyhozením hodin, základním způsobem, kterým čipy od úsvitu počítačového věku organizovaly a vykonávaly svou práci. Dokonce i ti z nás, kteří o mikroprocesorech nic nevědí, o jejich taktech něco víme – Intel již léta používá taktovací frekvenci svých mikroprocesorů jako marketingový nástroj, kde rychlejší je lepší. Číslo, které dominuje většině počítačových reklam, spolu s cenou, je označení jako 1,3 GHz (nebo gigahertz). Toto číslo se týká rychlosti hodin, které řídí vnitřní provoz mikroprocesoru stroje. V každém mikroprocesoru s frekvencí jednoho gigahertzu se například nachází oscilující krystal, který tiká miliardukrát za sekundu. Inženýři jsou vyškoleni k navrhování čipů, kde je jejich první úvaha o tom, jak udělat práci, než přijde další čas. Čip bez hodin by byl asi tak užitečný jako stránka textu bez mezer mezi písmeny. Pro většinu návrhářů čipů je vyhození hodin těžké si představit.

Ale ne pro Fanta nebo jeho kolegy ikonoklasty pracující na bezhodinových čipech ve startupech, univerzitách a podnikových laboratořích. Je to malá skupina zapálených věřících. Jejich výroční konference přitahuje jen několik stovek účastníků. Lídři v oboru se navzájem dobře znají a navzájem si zapamatují čísla mobilních telefonů. Ale i když se jejich metody a trhy liší, jsou sjednoceni ve své víře, že taktované čipy proběhly svou cestou, a jsou přesvědčeni, že výhody jejich individualistického přístupu, známého alternativně jako asynchronní design nebo samočasované obvody, jsou tak velké, že čip průmysl nakonec nebude mít jinou možnost, než ji přijmout.

Návrháři si uvědomují, že distribuce hodin na stále komplikovanější systémy je stále obtížnější a že dříve nebo později to nebude fungovat, říká Alain Martin, profesor informatiky na Caltech, který v roce 1989 postavil první bezhodinový mikroprocesor. Poukazuje na to, že jak se čipy stávají složitějšími, stále více energie potřebné k jejich chodu pohltí samotné hodiny, které nyní potřebují koordinovat práci milionů tranzistorů.

Vypuštění této režie poskytuje asynchronním čipům velké výhody. Jedním z nich je výrazně zlepšená elektrická účinnost, která přímo vede k prodloužení životnosti baterie. Technologie bez hodin také přináší výhodu ve výpočetní rychlosti. V laboratořích ve společnostech Sun Microsystems, Intel a IBM zvýšily beztaktní čipy tempo, kterým špičkové procesory vykonávají svou práci. V roce 1997 Intel vyvinul asynchronní testovací čip kompatibilní s Pentiem, který běžel třikrát rychleji, s polovičním výkonem, než jeho synchronní ekvivalent.

Ve společnosti Theseus se Fant zaměřil na další výhodu asynchronního designu. Protože tyto čipy nevydávají žádný pravidelně časovaný signál, stejně jako taktovací obvody, mohou provádět šifrování způsobem, který je obtížnější identifikovat a prolomit. Díky vylepšenému šifrování jsou asynchronní obvody jasnou volbou pro čipové karty – plastové karty s čipem se začínají používat pro aplikace citlivé na zabezpečení, jako je ukládání lékařských záznamů, výměna elektronických prostředků a osobní identifikace.

Mají Fant, Martin a další mistři bez hodinek pravdu? Upřímně, ano. A přesto navzdory jasným výhodám této technologie zůstávají čipy bez hodin spíše teorií než praxí. Zařízení Intel se například nikdy nedostalo z laboratoře. Neschopnost bezhodinových čipů prosadit se ve skutečnosti z nich dělá dokonalou případovou studii vývoje s ohromným příslibem, který nicméně čelí obrovským překážkám při uvedení na trh – dokonce i v odvětví známém neustálými a rychlými inovacemi.

Cesta nebyla přijata

Zakladatelé moderní počítačové technologie uvažovali o asynchronním designu již v roce 1946. Ale tito první počítačoví inženýři se místo toho rozhodli jít s hodinami. V té době to byla správná volba, říká Jo Ebergen, vedoucí zaměstnanec společnosti Sun, který pracuje v asynchronní výzkumné skupině vedené kolegou a viceprezidentem společnosti Sun Ivanem Sutherlandem. (V roce 1989 Sutherland, nejlépe známý jako průkopník počítačové grafiky, napsal článek, který téměř sám znovu podnítil zájem o technologii bezhodinových čipů.) Okolnosti, za kterých museli navrhovat pomocí elektronek a reléových obvodů, znamenaly, že opravdu nedokázali postavit spolehlivý počítač bez hodin, které by celou věc řídily, dodává. Pomocí hodin mohli inženýři zabudovat bezpečnostní opatření, díky nimž byly počítače spolehlivé, i když díly, ze kterých byly vyrobeny, nebyly.

Z této první volby vzešel efekt parního válce Mooreova zákona, v němž se téměř veškerý výzkum, vývoj a výroba v polovodičovém průmyslu soustředí na taktované čipy. V 60. letech 20. století představa bezhodinových čipů téměř zmizela a udržovala ji naživu pouze jeden nebo dva esoterické noviny vycházející z univerzit. V dnešních žetonech proto hodiny zůstávají klíčovou součástí akce. Když mikroprocesor provádí danou operaci, elektronické signály putují po mikroskopických proužcích kovového rozvětvení, znovu se protínají, narážejí na logická hradla – až nakonec uloží výsledky výpočtu do dočasné paměťové banky zvané registr. Řekněme, že chcete vynásobit 4 x 6. Pokud byste mohli zpomalit čip a nahlédnout do registru, když se tento výpočet dokončoval, mohli byste vidět, jak se hodnota mnohokrát mění, řekněme, ze 4 na 12 na 8, než se nakonec ustálí. dolů do správné odpovědi. Je to proto, že signály vysílané k provedení operace procházejí mnoha různými cestami, než dorazí do registru; teprve poté, co všechny signály dokončí svou cestu, je zaručena správná hodnota. Úlohou hodin je zaručit, že odpověď bude připravena v daný čas. Čip je navržen tak, aby i ta nejpomalejší cesta obvodem - cesta s nejdelšími dráty a největším počtem hradel - zaručeně dosáhla registru během jediného taktu.

Díky centrálnímu časomíru ovládajícímu akci se inženýři nemusí starat o různé délky milionů nekonečně malých drátů; signály mohou do registru dorazit v libovolném pořadí, pokud se všechny usadí dříve, než další tikot hodin. Týmy stovek inženýrů mohou koordinovat svou práci podle jednotného principu hodin. A máme z toho všichni užitek: disciplína navrhování na bázi hodin umožnila, aby kouzlo exponenciálního růstu výkonu čipů vydrželo více než 30 let. Hodiny musí jít dolů jako jeden z nejskvělejších nápadů v designu, říká Kevin Normoyle, významný inženýr společnosti Sun, který pracuje na návrhu mikroprocesorů Sun Sparc. Je to tak jednoduché, a přesto je to přístup, který se rozšířil a nyní funguje pro miliony tranzistorů.

Ale po bodu se zvýšení rychlosti hodin stává cvičením ve snižování výnosů. To je důvod, proč jeden gigahertzový čip neběží dvakrát rychleji než 500megahertzový čip. Hodiny, díky práci, kterou musí udělat, aby koordinovaly miliony tranzistorů na čipu, generují svou vlastní režii. Čím rychlejší jsou hodiny, tím větší je režie. Hodiny v nejmodernějším mikroprocesoru mohou spotřebovat až 30 procent výpočetní kapacity čipu, přičemž toto procento se zvyšuje stále rychleji s rostoucí rychlostí hodin. Je to, jako by byla továrna zahlcena dozorci se stopkami, kteří zlepšili efektivitu, ale také zabírali stále více místa v držení pracovníků a strojů.

Taktované čipy se také stávají vážnými energetickými prasaty: práce koordinace desítek milionů tranzistorů rychlostí miliard tiků za sekundu vyžaduje spotřebu velkého množství energie, z níž většina končí jako teplo. Patrick Gelsinger, technologický ředitel společnosti Intel, se o problému zmínil ve svém hlavním projevu na Mezinárodní konferenci o polovodičových obvodech loni v únoru. Gelsinger jen napůl žertoval, když řekl, že pokud budou mikroprocesory nadále řízeny stále rychlejšími hodinami, pak v roce 2005 poběží čip tak horký jako jaderný reaktor.

Možná nejpalčivějším problémem konvenčních mikroprocesorů je však to, že můžete pouze zrychlit hodiny čipu, než narazíte na nějakou nepohodlnou fyzickou realitu. V dnešních jednogigahertzových čipech mohou elektronické impulsy označující binární jedničky a nuly – jen stěží – projít přes čip během jediného úderu hodin. Ale u dvougigahertzových čipů, které se očekávají v příštích několika letech, to již nebude pravda. Role, kterou nyní hrají hodiny, synchronizující veškerou práci na čipu, se začnou rozpadat.

Bez hodin k záchraně

Vyhozením hodin budou výrobci čipů schopni uniknout z této vazby. Beztaktní čipy odebírají energii pouze tehdy, když je potřeba udělat užitečnou práci, což umožňuje obrovské úspory v bateriově poháněných zařízeních; pager založený na asynchronním čipu, který prodává například společnost Philips Electronics, běží téměř dvakrát déle než
konkurenční produkty, které používají konvenční taktované čipy.

Stejně jako tým koní, který může běžet jen tak rychle, jako jeho nejpomalejší člen, taktovaný čip nemůže běžet rychleji než jeho nejlenivější část logiky; odpověď není zaručena, dokud každá část nedokončí svou práci. Naproti tomu tranzistory na asynchronním čipu mohou vyměňovat informace nezávisle, aniž by musely čekat na všechno ostatní. Výsledek? Místo toho, aby celý čip běžel rychlostí svých nejpomalejších komponent, může běžet průměrnou rychlostí všech komponent. U Intelu i Sunu tento přístup vedl k prototypům čipů, které běží dvakrát až třikrát rychleji než srovnatelné produkty využívající konvenční obvody.

Podívejte se na to takto, říká Ebergen z Intelu. Dáte mi složku, já na ní pracuji, vrátím vám ji a skutečnost, že ji vrátím, znamená, že končím. Nemusíme spolu komunikovat každých pět sekund. Práci bychom mohli dělat mnohem rychleji, když se mezi námi dvěma dohodneme, kdy věci začít a kdy věci dokončit, a nebudeme se starat o synchronizaci práce na každém kroku.

Další výhodou beztaktových čipů je, že vydávají velmi nízké úrovně elektromagnetického šumu. Čím rychlejší jsou hodiny, tím obtížnější je zabránit tomu, aby zařízení rušilo ostatní zařízení; upuštění od hodin tento problém zcela eliminuje. Díky kombinaci nízké hlučnosti a nízké spotřeby energie jsou asynchronní čipy přirozenou volbou pro mobilní zařízení. Nízko visící ovoce pro bezhodinové čipy bude v komunikačních zařízeních, počínaje mobilními telefony, říká Yobie Benjamin, technologický stratég poradenské firmy Ernst and Young. Benjamin je tak přesvědčen o příslibu této technologie, že osobně investoval do Asynchronous Digital Design, startupu Caltechu bez hodin.

Dvě další nové firmy, Theseus a Manchester, anglické Self-Timed Solutions, se zaměřují na bezhodinové čipy pro čipové karty. Fant tvrdí, že klíčovým problémem zadržování čipových karet je to, že konvenční čipy usnadňují prolomení bezpečnostních kódů čipu sledováním signálů. Hodiny jsou jako velký signál, který říká: Dobře, podívej se,' říká Fant. Je to jako hledat někoho v pochodové kapele. Asynchronní je spíše jako mlsný dav. Neexistuje žádný jasný signál ke sledování. Potenciální hackeři nevědí, kde začít.

Rychlost, energetická účinnost a utajení zní jako důležité cíle pro jakýkoli čip, nejen pro ty, které se používají v několika málo specializovaných aplikacích. Ale zatímco Sun, IBM a Intel mají malé výzkumné skupiny, které pracují na asynchronních návrzích pro speciální aplikace, ani oni, ani nikdo jiný neohlásil práci na univerzálním bezhodinovém mikroprocesoru. Zdá se, že jde o zvláštní přehlédnutí. Průmysl, který považuje zlepšení rychlosti procesoru za téměř posvátný cíl, opustil jednu z nejslibnějších cest, jak zrychlit čipy. Stačí se zeptat proč.

Proč například Intel vyřadil svůj asynchronní čip? Odpověď zní, že ačkoli čip běžel třikrát rychleji a spotřeboval polovinu elektrické energie než taktované protějšky, nebylo to dostatečné zlepšení, které by ospravedlnilo přechod k radikální technologii. Asynchronní čip v laboratoři může být roky napřed před jakýmkoli synchronním návrhem, ale systémy pro návrh, testování a výrobu, které podporují konvenční výrobu mikroprocesorů, mají stále asi 20letý náskok u všeho, co podporuje asynchronní výrobu. Každý, kdo plánuje vyvinout bezhodinový čip, bude muset najít způsob, jak toto vedení zkratovat.
Pokud získáte trojnásobek výkonu s asynchronním designem, ale bude vám trvat pětkrát déle, než se dostanete na trh, prohrajete, říká senior vědec společnosti Intel Ken Stevens, který v roce 1997 pracoval na asynchronním projektu. Nestačí být vizionářem nebo říkat, jak skvělá tato technologie je. Všechno se vrací k tomu, zda to dokážete vyrobit dostatečně rychle a levně a zda v tom můžete pokračovat rok co rok.

Asynchronní čip společnosti Philips dal stránkám společnosti schopnost vydržet téměř dvakrát déle při stejném napájení z baterie než taktované alternativy. Ale jeho debut v roce 1998 následoval po desetiletí specializovaného výzkumu. Asynchronní výzkumníci od začátku chápali, že jejich úkolem není jen postavit další čip, ale spíše vytvořit způsob, jak tento čip navrhnout, otestovat a vyrobit. A to nebylo snadné.

Hra Catch-Up

První obrovskou překážkou pro uvedení čipů bez hodin na trh je nedostatek automatizovaných nástrojů pro urychlení jejich návrhu. Před dvaceti lety mohla hrstka inženýrů položit obvod čipu na papír. Dnes stovky inženýrů pracují v týmech a jedinou nadějí na koordinaci jejich akcí je použití sofistikovaných počítačově podporovaných nástrojů. Ale asynchronní návrháři čelí problému slepice a vejce: pokud neexistuje masový trh s asynchronními čipy, existuje jen malá pobídka k vytváření nástrojů k jejich výrobě; pokud nejsou žádné nástroje, nevznikají žádné třísky. Stejný problém se týká vývoje technologií pro testování čipů. Bez velkého množství asynchronních obvodů k testování neexistuje trh pro testovací nástroje třetích stran.

V případě svých pagerových čipů se Philips rozhodl, že jediným východiskem z této pasti je investovat do vývoje nástrojů, které potřebuje. Po 13 letech výzkumu jsme nyní blízko efektivnímu a efektivnímu testovacímu přístupu pro asynchronní obvody, říká výzkumný pracovník společnosti Philips Kees van Berkel, který od počátku 80. let pracoval v asynchronním týmu nizozemského giganta. A Philips není v tomto hledání sám. Ve snaze vytvořit impuls pro asynchronní čipy vyvinuli dva počítačoví vědci – Steven Nowick z Columbia University a Steve Furber z University of Manchester – návrhářské nástroje, které rozdávají jako shareware. Nástroje jsou nyní stopkami, říká Nowick. Pokud nemáte nástroje, nemůžete dělat věci přenosným způsobem a nemůžete školit lidi, aby se stali odborníky.

Kromě nové generace konstrukčních a testovacích zařízení vyžaduje úspěšný vývoj beztaktových čipů lidi, kteří rozumí asynchronnímu designu. Takový talent je vzácný, protože asynchronní principy narážejí na způsob, jakým téměř každá univerzita vyučuje své studenty inženýrství. Konvenční čipy mohou mít hodnoty přicházet do registru nesprávně a mimo pořadí; ale v bezhodinovém čipu musí být hodnoty, které přicházejí do registrů, správné hned napoprvé. Jedním ze způsobů, jak tohoto cíle dosáhnout, je věnovat velkou pozornost takovým detailům, jako jsou délky vodičů a počet logických hradel připojených k danému registru, čímž se zajistí, že signály putují do registru ve správné logické sekvenci. Ale to znamená být mnohem pečlivější, pokud jde o fyzický design, než jak byli synchronní návrháři vyškoleni.

Alternativou, kterou používá Theseus a další, je otevření samostatného komunikačního kanálu na čipu. Taktované čipy představují jedničky a nuly pomocí nízkého a vysokého napětí na jednom vodiči; Dvoukolejové obvody na druhé straně používají dva vodiče, které poskytují čipu komunikační cesty nejen k odesílání bitů, ale také k odesílání signálů handshake, které indikují dokončení práce. Fant navíc navrhuje nahradit konvenční systém digitální logiky tím, co nazývá logikou nulové konvence, schématem, které identifikuje nejen ano a ne, ale také zatím žádnou odpověď – pohodlný způsob, jak bezhodinové čipy rozpoznat, kdy operace ještě nebyla dokončena. . Všechny tyto nápady a přístupy jsou natolik odlišné, že jejich provedení by mohlo zmást mysl inženýra vyškoleného k navrhování v rytmu hodin. Není žádným překvapením, že dva nejnovější asynchronní startupy, Asynchronous Digital Devices a Self-Timed Solutions, jsou obsazeny studenty z Caltechu a University of Manchester, kde výzkum bezhodinových čipů probíhá nejdéle.

Aby byl čip úspěšný, musí se spojit všechny tři prvky – návrhářské nástroje, efektivita výroby a zkušení návrháři. Asynchronní kádr má velmi slibné nápady, říká Max Baron, mikroprocesorový analytik a redaktor průmyslového zpravodaje Zpráva o mikroprocesoru . Ale nemají skutečný stroj a neprokázali, že vědí, jak ho postavit.

Ačkoli to bude trvat mnohem déle, než se čipy bez hodin dostanou do hlavního proudu, už také vidíme počátky tohoto přechodu. Intel, který svůj projekt asynchronních čipů odložil v roce 1997, začlenil prvky své beztaktní technologie do čipu Pentium 4, který letos vydal. Zavádíme asynchronní design odspodu nahoru, navrhujeme v některých částech odtaktované logiky v čipu, který má stále konvenční design, říká Stevens. V tuto chvíli, pokud můžeme něco udělat asynchronně a je to lepší z hlediska spotřeby energie, pak to uděláme.

Co tedy okázale předpovídaná revoluce Karla Fanta? V tak vyspělém odvětví, jako je výroba čipů, není možné nahradit diktaturu přes noc anarchií. Časem se ale váha pravděpodobně posune směrem k bezhodinovému designu; bude napsáno dost článků, postaveno dost nástrojů, dost vzdělaných inženýrů, že už nebude nereálné představit si marketing takového čipu i mimo specializované výklenky. Jakmile lidé pochopí, jak to udělat snadno, bude přirozenější uvažovat o asynchronním, říká inženýr společnosti Sun Normoyle. Lidé to nebudou dělat, protože je to zajímavé. Uděláme to, protože je to jednodušší než něco jiného. Naším jediným cílem je být lepší než ostatní kluci. Přepínač přijde, když už synchronní není dost dobré.

Vítězi v této další vlně inovací se stanou společnosti, které si vyberou správný čas pro skok z křivky. Hodinové čipy mají příslib revoluce v tomto odvětví, rychlého urychlení neúnavné snahy o rychlejší a levnější čipy, které jsme od Moorova zákona očekávali. Kdo může říct, co je možné? Proč ne zcela asynchronní čip kompatibilní s produkty Intel?

Pokud to někdo udělá, bude mít vážnou konkurenční výhodu na několik let, říká Stevens z Intelu. Překlad? Takže ano, máme obavy.
Ať začne anarchie.

skrýt