Het is tijd voor klokloze chips

We vervangen dictatuur door anarchie! Karl Fant vertelt me ​​nadrukkelijk. Paardenstaart en geanimeerd, de oprichter en chief technical officer van Theseus Logic vult het whiteboard met ingrijpende illustratieve voorbeelden, knielend om elk beetje beschikbare schrijfruimte te gebruiken. Hij zit op zijn sokken. Uiteindelijk zal elke chip op deze manier worden ontworpen, verklaart hij. Het is onvermijdelijk!

Zelfs in Silicon Valley, waar de oprichters van bedrijven bekend staan ​​om hun non-conformistische neigingen, komt Fant's Sunnyvale, CA, kantoor als een verrassing. Zijn lage bureau is bedekt met een vormeloze massa memo's en transcripties en ander papierwerk, allemaal een beetje naar het midden oplopend. Er zijn geen kussens met alleen stoelen die ongekunsteld over de vloer liggen. Als je mij bent, begin je spijt te krijgen van het dragen van een jurk en vraag je je af waar je precies hoort te zitten. Maar nee: Fant leidt je naar een conventionele vergaderruimte naast de deur, waar gelukkig een stoel staat. Daar begint hij te evangeliseren over de komende revolutie die bedoeld is om computerchips te ontworstelen aan de beperkingen van het verleden.

Hoe? Door de klok weg te gooien, de fundamentele manier waarop chips, sinds het begin van het computertijdperk, hun werk hebben georganiseerd en uitgevoerd. Zelfs degenen onder ons die niets over microprocessors weten, weten iets over hun klokken - Intel gebruikt al jaren de kloksnelheid van zijn microprocessors als marketinginstrument, waarbij sneller beter is. Het nummer dat de meeste computeradvertenties domineert, samen met de prijs, is een label zoals 1,3 GHz (of gigahertz). Dat cijfer verwijst naar de snelheid van de klok die de interne werking van de microprocessor van de machine regelt. In elke microprocessor van één gigahertz bevindt zich bijvoorbeeld een oscillerend kristal dat een miljard keer per seconde tikt. Ingenieurs zijn getraind om chips te ontwerpen waarbij hun eerste overweging is om het werk gedaan te krijgen voordat de volgende klok tikt. Een chip zonder klok zou ongeveer net zo nuttig zijn als een pagina met tekst zonder enige spatie tussen de letters. Het weggooien van de klok is voor de meeste chipontwerpers moeilijk voorstelbaar.

Maar niet voor Fant of zijn collega-beeldenstormers die werken aan klokloze chips bij startups, universiteiten en bedrijfslabs. Het is een kleine groep fervente gelovigen. Hun jaarlijkse conferentie trekt slechts een paar honderd deelnemers. Leiders in het veld kennen elkaar goed en hebben elkaars mobiele telefoonnummers uit het hoofd geleerd. Maar hoewel hun methoden en markten verschillen, zijn ze eensgezind in hun overtuiging dat geklokte chips hun loop hebben gehad, en zijn ze ervan overtuigd dat de voordelen van hun non-conformistische benadering, ook wel bekend als asynchrone ontwerp- of zelfgetimede circuits, zo groot zijn dat de chip de industrie zal uiteindelijk geen andere keuze hebben dan het te omarmen.

Ontwerpers realiseren zich dat het distribueren van een klok over steeds ingewikkelder systemen steeds moeilijker wordt en dat het vroeg of laat niet zal werken, zegt Alain Martin, een professor informatica aan Caltech, die in 1989 de eerste klokloze microprocessor bouwde Hij wijst erop dat naarmate chips complexer worden, meer en meer van de stroom die nodig is om ze te laten werken wordt opgeslokt door de klok zelf, die nu het werk van miljoenen transistors moet coördineren.

Het wegvallen van deze overhead geeft grote voordelen aan asynchrone chips. Een daarvan is de sterk verbeterde elektrische efficiëntie, wat direct leidt tot een langere levensduur van de batterij. De klokloze technologie levert ook een voorsprong op in rekensnelheid. In laboratoria van Sun Microsystems, Intel en IBM hebben klokloze chips het tempo verhoogd waarmee high-end processors hun werk doen. In 1997 ontwikkelde Intel een asynchrone, Pentium-compatibele testchip die drie keer zo snel liep, op de helft van het vermogen, als zijn synchrone equivalent.

Bij Theseus heeft Fant zich gericht op nog een ander voordeel van asynchroon ontwerp. Omdat deze chips geen regelmatig getimed signaal afgeven, zoals geklokte circuits doen, kunnen ze codering uitvoeren op een manier die moeilijker te identificeren en te kraken is. Verbeterde codering maakt asynchrone circuits een voor de hand liggende keuze voor smartcards - de met chip begiftigde plastic kaarten beginnen te worden gebruikt voor veiligheidsgevoelige toepassingen zoals opslag van medische dossiers, elektronische uitwisseling van geld en persoonlijke identificatie.

Hebben Fant, Martin en andere klokloze kampioenen gelijk? Eerlijk gezegd wel. En toch, ondanks de duidelijke voordelen van de technologie, blijven klokloze chips meer theorie dan praktijk. Het Intel-apparaat heeft het bijvoorbeeld nooit uit het lab gehaald. Het falen van klokloze chips om terrein te winnen, maakt ze in feite een perfecte case study van een ontwikkeling met een overweldigende belofte die niettemin met enorme obstakels voor marktintroductie wordt geconfronteerd, zelfs in een industrie die bekend staat om zijn voortdurende en snelle innovatie.

Het pad dat niet is genomen

De grondleggers van de moderne computertechnologie overwogen al in 1946 asynchroon ontwerp. Maar deze vroege computeringenieurs kozen in plaats daarvan voor een klok. Destijds was het de juiste keuze, zegt Jo Ebergen, senior stafingenieur bij Sun die werkt in een asynchrone onderzoeksgroep onder leiding van Sun fellow en vice-president Ivan Sutherland. (In 1989 schreef Sutherland, vooral bekend als een pionier op het gebied van computergraphics, een paper dat bijna eigenhandig de interesse in klokloze-chiptechnologie weer aanwakkerde.) De omstandigheden waarin ze moesten ontwerpen, met gebruikmaking van vacuümbuizen en relaiscircuits, betekenden dat ze zouden echt geen betrouwbare computer kunnen bouwen zonder een klok die alles regelt, voegt hij eraan toe. Door een klok te gebruiken, konden ingenieurs faalveilige maatregelen inbouwen die computers betrouwbaar maakten, zelfs als de onderdelen waarvan ze waren gemaakt dat niet waren.

Van die eerste keuze kwam het stoomwalseffect van de wet van Moore, waarbij bijna alle onderzoek, ontwikkeling en productie in de halfgeleiderindustrie zich heeft gericht op geklokte chips. In de jaren zestig was het idee van klokloze chips zo goed als verdwenen - alleen in leven gehouden door een of twee esoterische papers die van universiteiten kwamen. In de chips van vandaag blijft de klok daarom het belangrijkste onderdeel van de actie. Terwijl een microprocessor een bepaalde bewerking uitvoert, reizen elektronische signalen langs microscopisch kleine metalen vorken, kruisen elkaar opnieuw en ontmoeten logische poorten - totdat ze uiteindelijk de resultaten van de berekening deponeren in een tijdelijke geheugenbank die een register wordt genoemd. Laten we zeggen dat je 4 met 6 wilt vermenigvuldigen. Als je de chip zou kunnen vertragen en in het register zou kunnen kijken terwijl deze berekening werd voltooid, zou je de waarde vele malen kunnen zien veranderen, laten we zeggen, van 4 naar 12 naar 8, voordat je uiteindelijk tot rust komt. naar beneden in het juiste antwoord. Dat komt omdat de signalen die worden verzonden om de bewerking uit te voeren, langs veel verschillende paden gaan voordat ze bij het register aankomen; pas nadat alle signalen hun reis hebben voltooid, is de juiste waarde verzekerd. De rol van de klok is om te garanderen dat het antwoord op een bepaald moment klaar zal zijn. De chip is zo ontworpen dat zelfs het langzaamste pad door het circuit - het pad met de langste draden en de meeste poorten - gegarandeerd het register binnen een enkele kloktik bereikt.

Met een centraal uurwerk dat de actie regelt, hoeven ingenieurs zich geen zorgen te maken over de variërende lengtes van miljoenen oneindig kleine draden; signalen kunnen in willekeurige volgorde bij het register aankomen, zolang ze maar allemaal binnenkomen voordat de volgende klok tikt. Teams van honderden ingenieurs kunnen hun werk coördineren rond het verenigende principe van de klok. En we hebben er allemaal baat bij: de discipline van klokgebaseerd ontwerp heeft de magie van exponentiële groei in chipprestaties meer dan 30 jaar mogelijk gemaakt. De klok moet de geschiedenis ingaan als een van de meest briljante ontwerpideeën, zegt Kevin Normoyle, een Distinguished Engineer bij Sun die werkt aan het ontwerp van Sun's Sparc-microprocessors. Het is zo eenvoudig, en toch is het een aanpak die is opgeschaald en nu werkt voor miljoenen transistors.

Maar na een punt wordt het opvoeren van de kloksnelheid een oefening in afnemende meeropbrengst. Daarom werkt een chip van één gigahertz niet twee keer zo snel als een chip van 500 megahertz. De klok genereert zijn eigen overhead door het werk dat hij moet doen om miljoenen transistors op een chip te coördineren. Hoe sneller de klok, hoe groter de overhead wordt. De klok in een ultramoderne microprocessor kan tot 30 procent van de rekencapaciteit van de chip verbruiken, waarbij dat percentage steeds sneller toeneemt naarmate de kloksnelheden toenemen. Het is alsof een fabriek werd overspoeld met stopwatch-zwaaiende supervisors die de efficiëntie verbeterden, maar ook steeds meer ruimte innamen van arbeiders en machines.

Geklokte chips worden ook serieuze power hogs: het coördineren van tientallen miljoenen transistors met een miljard tikken per seconde vereist het verbruik van veel energie, waarvan de meeste in warmte terechtkomen. Patrick Gelsinger, chief technology officer bij Intel, verwees naar het probleem in zijn keynote speech op de International Solid-State Circuits Conference afgelopen februari. Gelsinger maakte maar een grapje toen hij zei dat als microprocessors door steeds snellere klokken blijven draaien, in 2005 een chip zo heet zal zijn als een kernreactor.

Misschien wel het meest urgente probleem met conventionele microprocessors is echter dat je de klok van de chip alleen zo veel kunt versnellen voordat je in een ongemakkelijke fysieke realiteit botst. In de hedendaagse één-gigahertz-chips kunnen elektronische pulsen die binaire enen en nullen betekenen, nauwelijks binnen een enkele slag van de klok over de chip komen. Maar in de twee gigahertz-chips die naar verwachting in de komende jaren zullen komen, zal dat niet langer waar zijn. De rol die de klok nu speelt, het synchroniseren van al het werk op een chip, begint af te brokkelen.

Klokloos aan de redding

Door de klok weg te gooien, kunnen chipmakers aan deze binding ontsnappen. Klokloze chips verbruiken alleen stroom als er nuttig werk te doen is, wat een enorme besparing mogelijk maakt op batterijgevoede apparaten; een op een asynchrone chip gebaseerde pager die door Philips Electronics op de markt wordt gebracht, loopt bijvoorbeeld bijna twee keer zo lang als
producten van concurrenten, die conventionele geklokte chips gebruiken.

Net als een team paarden dat alleen zo snel kan rennen als zijn langzaamste lid, kan een geklokte chip niet sneller rennen dan zijn meest luie stukje logica; het antwoord is pas gegarandeerd als elk onderdeel zijn werk heeft voltooid. De transistors op een asynchrone chip kunnen daarentegen onafhankelijk informatie uitwisselen, zonder op al het andere te hoeven wachten. Het resultaat? In plaats van dat de hele chip met de snelheid van zijn langzaamste componenten draait, kan hij met de gemiddelde snelheid van alle componenten draaien. Bij zowel Intel als Sun heeft deze aanpak geleid tot prototypechips die twee tot drie keer sneller werken dan vergelijkbare producten met conventionele circuits.

Bekijk het zo, zegt Intels Ebergen. Je geeft me een map, ik werk eraan, ik geef het aan jou terug, en het feit dat ik het teruggeef, geeft aan dat ik klaar ben. We hoeven niet elke vijf seconden te communiceren. We zouden het werk veel sneller kunnen doen door tussen ons twee af te spreken wanneer we moeten beginnen en wanneer we dingen voor elkaar moeten krijgen, zonder ons zorgen te maken over het synchroniseren van ons werk bij elke stap die we zetten.

Een ander voordeel van klokloze chips is dat ze zeer weinig elektromagnetische ruis afgeven. Hoe sneller de klok, hoe moeilijker het is om te voorkomen dat een apparaat andere apparaten gaat storen; het afzien van de klok elimineert dit probleem vrijwel. De combinatie van een laag geluidsniveau en een laag stroomverbruik maakt asynchrone chips een natuurlijke keuze voor mobiele apparaten. Het laaghangende fruit voor klokloze chips zal in communicatieapparatuur zitten, te beginnen met mobiele telefoons, zegt Yobie Benjamin, een technologiestrateeg voor het adviesbureau Ernst and Young. Benjamin is zo overtuigd van de belofte van de technologie dat hij persoonlijk heeft geïnvesteerd in Asynchronous Digital Design, een klokloze startup uit Caltech.

Twee andere nieuwe bedrijven, Theseus en Manchester, in Engeland gevestigde Self-Timed Solutions, richten zich op klokloze chips voor smartcards. Fant stelt dat een belangrijk probleem dat smartcards tegenhoudt, is dat conventionele chips het gemakkelijk maken om de beveiligingscodes van de chip te kraken door naar de signalen te kijken. De klok is als een groot signaal dat zegt: Oké, kijk nu', zegt Fant. Het is alsof je iemand zoekt in een fanfare. Asynchroon is meer een frezende menigte. Er is geen duidelijk signaal om naar te kijken. Potentiële hackers weten niet waar ze moeten beginnen.

Snelheid, energie-efficiëntie en stealth klinken als belangrijke doelen voor elke chip, niet alleen die worden gebruikt in een paar nichetoepassingen. Maar hoewel Sun, IBM en Intel allemaal kleine onderzoeksgroepen hebben die werken aan asynchrone ontwerpen voor speciale toepassingen, hebben zij noch iemand anders aangekondigd dat ze werken aan een klokloze microprocessor voor algemeen gebruik. Dit lijkt een vreemde vergissing. Een industrie die het verbeteren van de processorsnelheid als een bijna heilig doel beschouwt, heeft een van de meest veelbelovende manieren om chips sneller te laten werken, opgegeven. Je hoeft je alleen maar af te vragen waarom.

Waarom heeft Intel bijvoorbeeld zijn asynchrone chip geschrapt? Het antwoord is dat hoewel de chip drie keer zo snel liep en de helft van het elektrische vermogen gebruikte als geklokte tegenhangers, dat niet genoeg was om een ​​verschuiving naar een radicale technologie te rechtvaardigen. Een asynchrone chip in het laboratorium loopt misschien jaren voor op synchroon ontwerp, maar de ontwerp-, test- en fabricagesystemen die conventionele microprocessorproductie ondersteunen, hebben nog steeds ongeveer 20 jaar voorsprong op alles dat asynchrone productie ondersteunt. Iedereen die van plan is een klokloze chip te ontwikkelen, moet een manier vinden om die kabel kort te sluiten.
Als je met een asynchroon ontwerp drie keer zoveel vermogen krijgt, maar het vijf keer zo lang duurt om op de markt te komen, dan verlies je, zegt Intel senior wetenschapper Ken Stevens, die aan het asynchrone project uit 1997 werkte. Het is niet genoeg om een ​​visionair te zijn of te zeggen hoe geweldig deze technologie is. Het komt allemaal neer op de vraag of je het snel genoeg en goedkoop genoeg kunt maken, en of je het jaar na jaar kunt blijven doen.

De asynchrone chip van Philips heeft de pagers van het bedrijf de mogelijkheid gegeven om bijna twee keer zo lang mee te gaan, op hetzelfde batterijvermogen, als geklokte alternatieven. Maar het debuut in 1998 volgde op een decennium van toegewijd onderzoek. Asynchrone onderzoekers begrepen vanaf het begin dat het hun taak niet alleen was om nog een chip te bouwen, maar eerder om een ​​manier te bedenken om die chip te ontwerpen, testen en produceren. En dat was niet gemakkelijk.

Spelen inhalen

De eerste enorme barrière om klokloze chips op de markt te brengen, is het gebrek aan geautomatiseerde tools om hun ontwerp te versnellen. Twintig jaar geleden kon een handvol ingenieurs het circuit van een chip op papier zetten. Tegenwoordig werken honderden ingenieurs in teams en de enige hoop om hun acties te coördineren is het gebruik van geavanceerde computerondersteunde tools. Maar asynchrone ontwerpers hebben te maken met een kip-en-ei-probleem: als er geen massamarkt is voor asynchrone chips, is er weinig reden om tools te maken om ze te bouwen; als er geen gereedschap is, worden er geen chips geproduceerd. Hetzelfde probleem geldt voor de ontwikkeling van chiptesttechnologieën. Zonder een aanzienlijke hoeveelheid asynchrone circuits om te testen, is er geen markt voor testtools van derden.

In het geval van zijn pager-chips besloot Philips dat de enige uitweg uit deze valkuil was om zelf te investeren in de ontwikkeling van de benodigde tools. Na 13 jaar onderzoek zijn we nu dicht bij een effectieve en efficiënte testaanpak voor asynchrone circuits, zegt Philips-onderzoeker Kees van Berkel, die sinds het begin van de jaren tachtig in het asynchrone team van de Nederlandse gigant werkt. En Philips staat niet alleen in deze zoektocht. In een poging om momentum te creëren voor asynchrone chips, hebben twee computerwetenschappers, Steven Nowick van Columbia University en Steve Furber van de University of Manchester, elk ontwerptools ontwikkeld die ze weggeven als shareware. Tools zijn nu de showstoppers, zegt Nowick. Als je geen tools hebt, kun je dingen niet op draagbare manieren doen en kun je mensen niet opleiden om experts te worden.

Naast een nieuwe generatie ontwerp- en testapparatuur, vereist de succesvolle ontwikkeling van klokloze chips mensen die asynchroon ontwerp begrijpen. Dergelijk talent is schaars, aangezien asynchrone principes in strijd zijn met de manier waarop bijna elke universiteit haar ingenieursstudenten lesgeeft. Bij conventionele chips kunnen waarden onjuist en niet op volgorde bij een register aankomen; maar in een klokloze chip moeten de waarden die in registers aankomen de eerste keer correct zijn. Een manier om dit doel te bereiken is door goed te letten op details zoals de lengte van de draden en het aantal logische poorten die op een bepaald register zijn aangesloten, waardoor wordt verzekerd dat signalen in de juiste logische volgorde naar het register gaan. Maar dat betekent dat we veel nauwkeuriger moeten zijn over het fysieke ontwerp dan synchrone ontwerpers zijn opgeleid.

Een alternatief, dat onder meer door Theseus wordt gebruikt, is om een ​​apart communicatiekanaal op de chip te openen. Geklokte chips vertegenwoordigen enen en nullen met behulp van lage en hoge spanningen op een enkele draad; dual-rail circuits, aan de andere kant, gebruiken twee draden, die de chip communicatiepaden geven, niet alleen om bits te verzenden, maar ook om handshake-signalen te verzenden om aan te geven wanneer het werk is voltooid. Fant stelt bovendien voor om het conventionele systeem van digitale logica te vervangen door wat hij noemt nulconventielogica, een schema dat niet alleen ja en nee identificeert, maar ook nog geen antwoord - een handige manier voor klokloze chips om te herkennen wanneer een bewerking nog niet is voltooid . Al deze ideeën en benaderingen zijn zo verschillend dat het uitvoeren ervan de geest zou kunnen verwarren van een ingenieur die is opgeleid om op het ritme van een klok te ontwerpen. Het is geen verrassing dat de twee nieuwste asynchrone startups, Asynchronous Digital Devices en Self-Timed Solutions, worden bevolkt door studenten van Caltech en de Universiteit van Manchester, waar onderzoek naar klokloze chips het langst aan de gang is.

Om een ​​chip succesvol te laten zijn, moeten alle drie de elementen - ontwerptools, productie-efficiëntie en ervaren ontwerpers - samenkomen. Het asynchrone kader heeft veelbelovende ideeën, zegt Max Baron, microprocessoranalist en redacteur van de nieuwsbrief voor de branche Microprocessorrapport . Maar ze hebben niet de eigenlijke machine en ze hebben niet bewezen dat ze weten hoe ze het moeten bouwen.

Hoewel het veel langer zal duren voordat klokloze chips mainstream worden, zien we ook al het begin van die overgang. Intel, dat zijn project met asynchrone chips in 1997 stopzette, integreerde elementen van zijn klokloze technologie in de Pentium 4-chip die het dit jaar uitbracht. We introduceren asynchroon ontwerp van onder naar boven, waarbij we enkele stukjes niet-geklokte logica ontwerpen in een chip die nog steeds een conventioneel ontwerp is, zegt Stevens. Als we op dit moment iets asynchroon kunnen doen en het is beter in termen van stroomverbruik, dan zullen we het doen.

Dus hoe zit het met de flamboyant voorspelde revolutie van Karl Fant? In een industrie die zo volwassen is als het maken van chips, kun je dictatuur niet van de ene op de andere dag door anarchie vervangen. Maar na verloop van tijd zal de balans waarschijnlijk verschuiven naar een klokloos ontwerp; er zullen genoeg artikelen worden geschreven, genoeg tools gebouwd, genoeg ingenieurs opgeleid zodat het niet langer onrealistisch zal zijn om zo'n chip zelfs buiten gespecialiseerde niches op de markt te brengen. Als mensen eenmaal begrijpen hoe ze dit gemakkelijk kunnen doen, wordt het natuurlijker om aan asynchroon te denken, zegt Sun-ingenieur Normoyle. Mensen zullen het niet doen omdat het interessant is. We doen het omdat het makkelijker is dan iets anders. Ons enige doel is om beter te zijn dan de andere jongens. De switch komt als synchroon niet meer goed genoeg is.

De winnaars in deze volgende innovatiegolf zijn de bedrijven die het juiste moment kiezen om van de curve te springen. Klokloze chips hebben de belofte om een ​​revolutie teweeg te brengen in de industrie, om de niet-aflatende drang naar snellere en goedkopere chips die we gewend zijn van de wet van Moore, snel te versnellen. Wie zegt wat er mogelijk is? Waarom geen volledig asynchrone chip die compatibel is met Intel-producten?

Als iemand dat doet, heeft hij een aantal jaren een serieus concurrentievoordeel, zegt Stevens van Intel. Vertaling? Dus ja, we maken ons zorgen.
Laat de anarchie beginnen.

zich verstoppen