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Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 1 Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen Dr. Christoph Grimm Professur Technische Informatik.

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1 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 1 Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen Dr. Christoph Grimm Professur Technische Informatik J. W. Goethe-Universität Frankfurt

2 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 2 Synchron/Asynchron synchronWort vereint zwei altgriechische Wortstämme: syn (mit, gemeinsam) und chronos (Zeit). Es bedeutet im ursprünglichen Sinn gleichzeitig oderzeitlich übereinstimmend. Quelle: Wikipedia (www.wikipedia.org) 0 1 t Aktionen werden von gemeinsamem, globalen Takt synchronisiert.

3 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 3 Synchron/Asynchron asynchrongegenteilige Bedeutung von Synchron: fehlende Abstimmung, auch: zeitlich versetzt Quelle: Wikipedia (www.wikipedia.org) Keine globale Synchronisation durch Takt. Lokale Synchronisation benachbarter Objekte. Häufig in der Natur – aber bei Schaltungen eher exotisch!

4 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 4 Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen Synchrone Schaltungen und ihre Eigenschaften Potenzial und Probleme asynchroner Schaltungen Aktuelle Ansätze (Auswahl) Ausblick

5 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 5 Synchrone Schaltungen Grundelement: Schaltnetze & & x1x1 xnxn t 0 1 zizi Eingabe: Bitvektor X= Ausgabe: Bitvektor Z= = f(x 1,..., x n ) Richtige Ausgabe erst nach gewisser Zeit … Gatter T T T Verzögerungen … z1z1 znzn kombinatorischer Hazard

6 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 6 Synchrone Schaltungen Synchron sequenzielle Schaltungen Schaltnetz berechnet aus Eingabe X = Zustand Y = (gespeichert) Folgezustand W = Ausgabe Z = Taktsignal - neuer Rechenschritt: Y := W 0 1 t t_clk

7 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 7 Synchrone Schaltungen Taktbaum, Taktversatz 0 1 t Auf Chips sind viele Speicher räumlich weit verteilt und über gemeinsamen Takt synchronisiert. Takt wird auf Chips über denTaktbaum verteilt. Je nach Abstand der Speicher zum Taktgenerator entsteht durch Verzögerungen in den Leitungen ein Taktversatz. Schalt- netz

8 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 8 Synchrone Schaltungen Eigenschaften - Rechengeschwindigkeit Grobes Maß für Rechengeschwindigkeit: Taktfrequenz f = 1/t clk t clk muss größer sein als: Längstmögliche Laufzeit durch Gatternetz und Speicher (incl. Setup/Hold) + maximal möglicher Taktversatz Die Taktfrequenz von synchronen Schaltungen orientiert sich an worst-case Betrachtungen. Performance synchroner Schaltungen ist weit unter ihrem tatsächlichen Potenzial. 0 1 t t clk

9 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 9 Synchrone Schaltungen Eigenschaften - Leistungsaufnahme Leistungsaufnahme ~ Schaltfrequenz * Chipfläche Ungünstig: - Taktbaum schaltet ständig mit einer sehr hohen Frequenz - Taktbaum heute von Chipfläche her dominant. Leistungsaufname synchroner Schaltungen oft problematisch: Pentium 4 ca. 100 W Leistungsaufnahme (Ströme >50 A) Die Leistungsaufnahme von synchronen Schaltungen wird heute vom Taktbaum dominiert.

10 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 10 Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen Synchrone Schaltungen und ihre Eigenschaften Potenzial und Probleme asynchroner Schaltungen Aktuelle Ansätze (Auswahl) Ausblick

11 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 11 Vorteile: Bessere Performance: Berechnung unmittelbar nach Eingabe bzw. Zustandsänderung. Niedrigere Leistungsaufnahme: Kein Taktbaum deutlich weniger Verlustleistung weniger Chipfläche Stromaufnahme nur, wenn gerechnet wird. Asynchrone Schaltungen Potenzial Asynchrone Schaltungen: Kein globaler Takt, kein Taktbaum notwendig!

12 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 12 Asynchrone Schaltungen Klassisch: Asynchronous FSM Asynchronous FSM (Unger69): Schaltnetz berechnet Zustandsübergangsfunktion Verzögerungen T 1 … T p in Rückführung ersetzen getakteten Speicher. SIC, Single Input Change machine (1)Ein x i, i 2 {1,…,n} ändert sich, Schaltnetz berechnet Z, W (2)Solange Y W: Y := W; Schaltnetz berechnet Z, W; (3)Goto (1)

13 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 13 Asynchrone Schaltungen Klassisch: Asynchronous FSM MIC, Multiple Input Change machine Bei (1) können sich mehrere x i gleichzeitig ändern. Unrestricted Input Change machine Bei (2) wird nicht bis zu Stabilität iteriert, sondern direkt neue Eingabe.

14 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 14 Asynchrone Schaltungen Problem … Kombinatorische Hazards Zeitweise liefert Schaltnetz falsche Ergebnisse … Durch geeignete Schaltnetze leicht zu vermeiden. Sequenzielle Hazards Ursache: Mehrkomponentenübergänge an Eingängen des Schaltnetzes

15 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 15 Asynchrone Schaltungen Mehrkomponentenübergänge Mehrkomponentenübergänge = Änderung von mehr als 1 Bit. Beispiel: Übergang Bitvektor (Eingabe) X=00 X= Synchrone Schaltung: Nur Werte, die durch Takt bestimmt werden, werden betrachtet, also Asynchrone Schaltung: Je nachdem, in welcher Reihenfolge sich Bits ändern: oder oder Dieses Phänomen wird als Lauf bezeichnet.

16 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 16 Asynchrone Schaltungen Problem: Kritische Läufe Beispiel: Asynchrone 2-Bit Zählerschaltung mit kritischem Lauf Läufe, die zu unterschiedlichen Folgezuständen führen, werden als kritische Läufe bezeichnet. Vermeidung: geeignete Zustandscodierung, Timing: Verzögerungen einführen.

17 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 17 Asynchrone Schaltungen Problem: Essenzielle Hazards Ein essenzieller Hazard ist ein kritischer Lauf zwischen einer Eingangsvariablen und einer Rückkopplungsvariablen. Vermeidung: andere Zustandsübergangsfunktion, Timing: Verzögerung in Rückführungen einfügen.

18 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 18 Also doch lieber synchron ? Synchrone Schaltungen und ihre Eigenschaften Potenzial und Probleme asynchroner Schaltungen Aktuelle Ansätze (Auswahl) Ausblick

19 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 19 Aktuelle Ansätze (Auswahl) Modellierung asynchroner Schaltungen Lokale Synchronisation Baukästen für komplexe Systeme

20 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 20 Aktuelle Ansätze (Auswahl) Lokale Synchronisation Empfänger Hand- shake REQ ACK Sender Hand- shake Daten Bundled Data: +/- REQ: Daten gültig +/- ACK: Daten übernommen Dual rail: 2 Leitungen/Bit: 00 = Ungültig 01 = 0 10 = 1 11 = Fehler EmpfängerSender ……….. ACK

21 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 21 Aktuelle Ansätze (Auswahl) Sutherland´89: Micropipeline ACK (in) REQ (out) ACK (out) REQ (in) C1 C2 C3 Speicher Latch Speicher Latch Speicher Latch Async. Sch. REQ ACK REQ T ACK

22 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 22 Aktuelle Ansätze (Auswahl) Vergleich von Ergebnissen Amulet2e: ARM7 – Prozessor, asynchron implementiert (Micropipeline) TITAC-2: MIPS R2000-Prozessor asynchron implementier (Micropipeline) ARM7Amulet2e Prozess600nm500nm #Transistoren Cache8kByte4kByte Rechenleisung23 MIPS38 MIPS TITAC-2MIPS #Transistoren Versorgungsspg.3.3V5V Leistungsaufn. (mit Cache) 1W 2W 2W./. Rechenleisung (mit Cache) 26,5 MIPS 54,1 MIPS 12 MIPS.´/. TITAC-2: Versorgungsspg. 1.5V-6V Chiptemperatur -196°C – 100°C

23 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 23 Aktuelle Ansätze (Auswahl) auch noch wichtig und interessant … Muller-C-Gates Burst - Mode Automaten Automatische Synthese aus z. B. aus Petri-Netzen, OCCAM, etc. Schnittstelle synchron/asynchron !!! Zero-Convention-Logic …

24 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 24 Ausblick … Werden alle Schaltungen asynchron aufgebaut? Sicher nicht: Es fehlen Tools, Erfahrung und Notwendigkeit. Aber Asynchrone Schaltungen werden öfter Nischen erobern, insbesondere bei extremen Anforderungen für Low-Power, z. B. in Handy, Medizintechnik Beispiel Philips: Asynchroner Mikroprozessor für Low-Power Anwendungen: ¼ Leistungsaufnahme verglichen mit synchroner Realisierung, die für Low-Power optimiert war.

25 Dr. Ch. Grimm – Taktlose Gesellen: Asynchrone Schaltungen 25 Literatur S. Unger: Asynchronous Sequential Switching Circuits, Wiley-Interscience, I. Sutherland: Micropipelines, Communications of the ACM, June Sonderheft Asynchronous Circuits IEEE Transactions Vol. 87, No. 2, Februar 1999, IEEE Press E. Brunvand, S. Nowick, K. Yun: Practical Advances in Asynchronous Design and in Asynchronous/Synchronous Interface, Proceedings of Design Automation Conference 1999, New Orleans. IEEE Press. A. Davis, S. M. Nowick: An Introduction to Asynchronous Circuit Design. Internal Report, University of Utah UUCS


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