Full Text

Введение. Самосинхронный принцип работы цифровых элементов и устройств как альтернатива синхронному (и асинхронному) известен более полувека [1-3], однако только в последние годы появляются серийные изделия, позиционируемые как самосинхронные. В таких схемах используется запросно-ответная двухфазная дисциплина функционирования. В фазе гашения (спейсера) происходит подготовка комбинационной схемы, состоящей из основного и двойственного каналов к приему данных. Данные передаются парафазным кодом, т.е. двумя битами - прямым и инверсным. Индикаторный элемент формирует сигнал разрешения приема новых данных после завершения гашения, т.е. тогда, когда оба канала выдают одинаковый результат. Далее наступает рабочая фаза. После обработки новых данных на входе индикатора появляются инверсные результаты, что свидетельствует о завершении рабочей фазы и готовности к новому гашению. В последовательностных схемах гашение не используется, так как оно стирает имеющуюся информацию. Здесь используется несколько другая дисциплина индикации, учитывающая текущее состояние триггера и состояние его входов. В самосинхронном устройстве множество индикаторов, их анализирует так называемый С-элемент Маллера (гистерезисный триггер, Г-триггер), именно его сигнал регулирует смену фаз. Считается, что работа по реальным задержкам повышает быстродействие, обеспечивает работу на сверхнизких напряжениях питания и даже позволяет обнаруживать константные неисправности. Рассмотрим особенности самосихронных схем, проиллюстрируем их работу на модели и выясним, выпускаются ли интегральные микросхемы, использующие этот принцип. 1. Полумодулярность в решетках. В литературе по самосинхронике часто встречается термин «полумодулярность» [1-7]. Схема полумодулярна (самосинхронна) или не полумодулярна. Что же это такое, полумодулярность? Это понятие пришло из общей алгебры, конкретно из теории так называемых решеток. Под решеткой (дедекиндовой структурой которой занимался немецкий математик Юлиус Вильгельм Дедекинд, 1831-1916 гг.) понимается частично упорядоченное множество L (от английского слова Lattice - решетка - в математическом смысле), в котором любые два элемента имеют точную нижнюю грань и точную верхнюю грань [8-10], где символы Ç, È, вообще говоря, - это некие абстрактные операции, а не обязательно объединение и пересечение. Пример решетки (называемой также и диаграммой Хассе, и кубом соседних чисел), являющейся к тому же булевой алгеброй, изображен в [10] и имеет вид (рис. 1). Используется понятие покрытия. На рис. 1 элемент {y,x} покрывает элементы {x} и ={y}, а универсум, или единица I = {x,y,z} покрывает все. Хотя с точки зрения минимизации логических функций и с учетом понятия импликанты все ровно наоборот [10]. В теории решеток как особых алгебр решетка называется модулярной, если в ней выполняется модулярный закон Mod. Указано, что модулярный закон - ослабленная форма второго дистрибутивного закона: : . {y,x,z} = I {x,z} {z} {y,z} {y,x} {x} {y} Æ Рис. 1. Решетка Хассе - булева алгебра на множестве I = {x,y,z} Решетки - булевы алгебры (см. рис. 1) являются модулярными, например, используя реальные объединение и пересечение: При этом первый закон дистрибутивности обычен: В то же время в [11] поясняется, что в модулярной решетке справедлив такой модулярный закон: (а + b)c = а + bс для всякого b, что равносильно справедливости тождества (ас + b)с = ас + bс. Решетка L называется полумодулярной, если покрывает х, то из этого следует, что элемент y покрывает [9]. Так, в решетке на рис. 1 (она модулярна, но, значит, в то же время и полумодулярна): 2. Полумодулярность в цифровых схемах. В [12] полумодулярность постулируется на базе допустимых последовательностей сигналов в схемах. Вводится отношение двух состояний а,в: в том случае, если а = в или они соседние (отличаются в одном разряде). Это отношение названо отношением непосредственного следования. Вводится понятие предшествования в случае, если есть R-последовательность . Состояния а,в эквивалентны: . Вводится понятие возбужденного состояния, когда текущее значение а не равно значению следующего а’. При этом полумодулярность схемы фиксируется так: схема полумодулярна относительно некоторого начального состояния u, в случае если для любой пары а,в: . Под i понимают i-й узел схемы. Далее поясняется, что в полумодулярной схеме узел i, возбужденный в состоянии а, но не принимающий значение а’ при переходе схемы в состояние в, должен оставаться возбужденным в состоянии в, сохраняя то же значение, что и в состоянии а. Более понятно написано в [4], где описывается не зависящая от скорости (speed-independent) схема из работы основоположника этого направления Д. Маллера (рис. 2). 1 1 С Рис. 2. Самосинхронная схема с С-элементом Маллера Два параллельных процесса на основе инверторов замкнуты через С-элемент Маллера, фиксирующий завершение переходного процесса не только в инверторах, но и в себе самом. Рассматриваются диаграммы переходов состояний схемы и поясняется, что такое конфликтный переход. Возбужденная переменная (намеревающаяся перейти в новое состояние) обозначается звездочкой, например х(t)*, где t - текущее состояние, х(t + 1) - следующее состояние, обозначаемое выше как х’. Если х(t)* = х(t + 1) (хотела перейти, да не получилось), то такой переход конфликтный, который может привести к состязаниям и, как результат, к ошибкам [13, 14], ранее называемым сбоями. Показано, что схема полумодулярна, если в ее диаграмме переходов отсутствуют конфликтные переходы. Что касается решеток, то приводится такая нестрогая содержательная аналогия: каждому элементу схемы (каждому уравнению) ставится в соответствие некий гипотетический счетчик - счетчик переключений (рис. 3). а б Рис. 3. Диаграммы: полумодулярной схемы (а) и неполумодулярной схемы с конфликтами (б) При возбуждении элемента счетчик увеличивается на единицу, при снятии возбуждения при изменении входов - уменьшается на единицу. Совокупность всех счетчиков - узлы алгебраической решетки. Свойство полумодулярности означает, что ни одно число в процессе переключений не изменится, что свидетельствует об отсутствии конфликтов. 3. Моделирование простой самосинхронной схемы. Построим простую схему с парафазными входными сигналами A, NA, B, NB в соответствие с символикой [15] для вычисления двух функций - конъюнкции и суммы по модулю два в системе схемотехнического моделирования NI Multisim (рис. 4). На входе группа элементов И - блок спейсера, сигнал Set - разрешение работы. Двойственный канал вычисления конъюнкции построен на элементе ИЛИ, на него поступают NA, NB. Здесь использован так называемый нулевой спейсер - нулевой набор и сигналов, и их инверсий, поэтому индикаторы I построены на элементах ИЛИ-НЕ. Однако на блок спейсера замкнут сигнал первого индикатора I1 для демонстрации того, что в этом случае схема «оживает» - при наличии разрешения Set с выходов индикатора поступает сигнал логической единицы, что открывает блок спейсера, на входы каналов поступает набор A, NA, B, NB после вычисления функций F1, NF1 индикатор переходит в состояние «0», реализуя гашение и закрывая блок спейсера, после которого индикатор переходит в состояние «1», вновь открывая блок спейсера, и т.д. Рис. 4. Схема с парафазными входными сигналами A, NA, B, NB для вычисления двух функций - конъюнкции F1 и суммы по модулю два F2 Видна генерация сигналов: индикаторы «мигают» - схема работает без тактового генератора. Добавим С-элемент Маллера на основе элементов 2И-НЕ, на вход которого подадим выходы индикатора, и уже его выход подключим к блоку спейсера, подключим осциллограф (рис. 5). Схема работает как генератор, правда, явно видны как провалы, так и выбросы. При обрыве одной из связей схемы генерация прекращается. Рис. 5. Схема с С-элементом Маллера 4. ПЛИС Speedster22i фирмы Аchronix. Называемая в источниках асинхронной ПЛИС Speedster22i фирмы Аchronix [16] оказывается все-таки синхронна, она имеет две иерархических сети тактирования - глобальную Global Clock Generator (GCG) и прямую. На рис. 6 обозначены интерфейс ввода/вывода общего назначения GPIO (general-purpose input/output) и последовательно-параллельный интерфейс SerDes (Serializer/Deserializer). Рис. 6. Глобальная сеть тактирования ПЛИС Speedster22i Прямая сеть тактирования, насколько можно понять из описания, основана на внутренних генераторах и обеспечивает значительно более низкую задержку (рис. 7). Рис. 7. Прямая сеть тактирования ПЛИС Speedster22i Таким образом, имеются четыре глобальных источника тактирования GCG по четырем углам микросхемы. Локальная тактировка обеспечивается «региональными» устройствами Regional Clock Manager (RCM) (рис. 8). Рис. 8. Восточный E и западный W «регионы» тактирования ПЛИС Speedster22i Каждый из четырех глобальных генераторов GCG содержит шесть буферов ввода-вывода подачи тактового сигнала и четыре так называемых замкнутых фазовых петли PLLs - Phase Locked Loops, которые, в свою очередь, содержат генераторы управляемый напряжением - VCO (Voltage-Controlled Oscillator (рис. 9). Рис. 9. Состав PLL - Phase Locked Loops ПЛИС Speedster22i PLL содержит фазовращатель «glitch-free phase rotators», т.е. не создающий помех - «иголок», и, как указано, обеспечивает частоту 1066 MHz. Таким образом, становится понятно, что работа ПЛИС далека от принципов самосинхронности, описанных в [1-4]. В интервью 2006 г. (тогда микросхема проектировалась) один из высших руководителей фирмы Джон Хольт назвал Speedster22i самой быстрой в мире КМОП ПЛИС [17]. Не он, а корреспондент, задавая свой вопрос о том, как измерялась производительность, назвал ПЛИС «Clockless», т.е. не-тактируемой. На что Хольт ответил: «Мы получаем эквивалент скорости синхронной схемы». Но в описании [18] нет «Clockless», наоборот, речь идет о множестве тактовых генераторов. Если есть тактовые генераторы, схема не асинхронна. Следовательно, речь идет о глобальной множественной синхронности, а локально - она по терминологии документации синхронна… Таким образом, соотнесение анализируемой ПЛИС с самосинронной схемотехникой [18] неверно, хотя бы в рамках доступных источников. Показатели эффективности ПЛИС Speedster22i впечатляют: более миллиона логических элементов, 1,93 ГГц эквивалентной производительности при 21 °С и 1,2 В Vdd. Диапазон температур - от -196 до +130 °С. Масштабирование питание: при 0,6 В производительность 400 МГц (на прототипе), с сокращением более 80 % энергопотребления. Уменьшение напряжения снижает энергопотребление в кубической зависимости. Однако не все из миллиона логических элементов доступны пользователю. Под программируемыми ЛУТ понимаются ЛУТ, доступные для конфигурирования, другие ЛУТ, видимо, запрограммированы «жестко» на заводе (33 %). Такие характеристики, ориентированные на большую вычислительную мощность и работу в экстремальных условиях, необходимы в аэрокосмической и военной сферах. Возможно, поэтому детальная информация об асинхронных процессах в ПЛИС достаточно скудна. Но по доступным источникам получается, что речь идет не об отсутствии синхронизации, а о множественной распределенной синхронизации, а это совсем не то, что самосинхроника. Выводы Таким образом, полумодулярность схемы означает, что в ее диаграмме переходов отсутствуют конфликтные переходы - конфликтные в смысле отсутствия состязаний. Сам термин «полумодулярность» взят из алгебраической теории решеток. Для работы самосинхронной схемы не нужен тактовый генератор. Самосинхронная схема работает на «пределе» возможностей в смысле задержек элементов и может фиксировать константные неисправности. Они продолжают работать на сверхнизком напряжении питания. Так, по данным [18] самосинхронные ПЛИС по технологии 90 нм с напряжением питания ядра 1,2 В остаются работоспособным при снижении напряжения питания до 0,2 В. В [18] также упоминается «самосинхронное процессорное ядро» ARM996HS, разработанное фирмой Handshake Solution и имеющее в 2,8 раза меньшее энергопотребление, по сравнению со своим синхронным аналогом ARM968E-S при той же производительности. К самосинхронной также относят NCL-логику (NULL Convention Logic), разработанную специалистами компании Theseus Research, Inc. [19-22]. Таким образом, самосинхроника развивается не только в области науки, но и в области технологии, хотя часть конкретных примеров на поверку оказывается далеко не самосинхронной.

About the authors

S. V Bereznyakov

JSC “Star”

Email: berser22@mail.ru

M. A Averkiev

JSC “Perm Research and Production Instrument Company”

Email: root@ppk.perm.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 64

PDF (Russian) - 87

Refbacks

• There are currently no refbacks.