集成電路：異步DSP核設計實現(xiàn)低功耗高性能

作者：Octasic Inc. 產(chǎn)品經(jīng)理James Awad

目前，處理器性能的主要衡量指標是時鐘頻率。絕大多數(shù)的集成電路（IC）設計都基于同步架構，而同步架構都采用全球一致的時鐘。這種架構非常普及，許多人認為它也是數(shù)字電路設計的唯一途徑。然而，有一種截然不同的設計技術即將走上前臺：異步設計。

這一新技術的主要推動力來自硅技術的發(fā)展狀況。隨著硅產(chǎn)品的結構縮小到90納米以內，降低功耗就已成為首要事務。異步設計具有功耗低、電路更可靠等優(yōu)點，被看作是滿足這一需要的途徑。

異步技術由于諸多原因曾經(jīng)備受冷落，其中較重要的是缺乏標準化的工具流。IC設計團隊面臨著巨大的壓力，包括快速地交付器件，使用高級編程語言和標準的事件驅動架構（EDA）工具，幫助實施合成、定時和驗證等任務。如果異步設計可以使用此類工具，那么可以預計將會出現(xiàn)更多采用異步邏輯組件的設備。

在過去，小型異步電路僅用作同步電路的補充。僅僅在較近，新發(fā)布的商用器件才主要基于異步設計。但是此類器件主要針對小眾市場，如要求超低功耗和穩(wěn)定電流的嵌入式傳感器。

我們正在見證一款完全基于異步邏輯的通用數(shù)字信號處理器（DSP）核橫空出世。無論是IC設計人員還是較終用戶，它帶來的好處數(shù)不勝數(shù)。

同步與異步

目前的數(shù)字設計事實上采用的是同步設計技術。由于歷史原因，這種方法得到了改良，設計工具也不斷演化。目前有一種標準流以高級語言為基礎，可實現(xiàn)快速開發(fā)。同步設計還可以輕松地擴展器件性能。設計人員只須提高時鐘頻率，就能使設計變得更快。

同步法包括建立功能模塊，每個模塊由一個按時鐘信號控制的有限狀態(tài)機（FSM）驅動。觸發(fā)器被用于存儲當前狀態(tài)。當接收到時鐘信號時，觸發(fā)器將更新所存儲的值。

在DSP的設計過程中，邏輯階段必不可少。這些階段實施操作并將結果傳遞到下一階段。圖1表示單個階段的簡單模型。異步邏輯用于在兩個觸發(fā)器之間計算電路的新狀態(tài)。例如，該邏輯云可執(zhí)行加法或乘法。

圖1. 單個階段的簡單模型。

對于異步DSP核，邏輯階段被調整以消除時鐘。圖2顯示了這種DSP架構的基本構造。不是由時鐘控制門閂線路，而實際上是傳遞了一個完成信號給下一邏輯階段。根據(jù)邏輯云所執(zhí)行的操作，在恰當時候可生成完成信號。

這種本地延遲控制可以保證電路的穩(wěn)定。由于控制電路時間的邏輯就在本地，它就可以相應地改變電壓、處理速度和溫度。

圖2. DSP架構的基本構造。

異步設計有許多種不同的途徑，而前提是電路不受單一時鐘控制。多數(shù)情況下，異步邏輯被用于通過專門的電路設計來解決具體問題。但是，異步邏輯也可用作完整DSP核的基礎，而不僅僅是設計中偶爾需要的一種工具。其好處包括降低功耗、可靠性提高以及電磁干擾（EMI）低。

異步設計的好處

采用異步設計的理由非常吸引人。在正確使用中，這種方法可以實現(xiàn)更低的能耗、更好的EMI性能；由于消除了全球時鐘偏差，真正地簡化了設計。

隨著硅產(chǎn)品尺寸的縮小，功耗問題越來越重要。由于線路長度為線性而面積為平方，單位面積硅功耗將隨著尺寸的縮減而增加。目前，通過降低電壓，數(shù)字設計人員已經(jīng)成功地解決了這個問題；但由于電壓閾值的限制，目前的半導體技術無法再有效地降低電壓。要想有效地利用新增加的功能，必須降低各個功能的功耗。

在CMOS技術中，門電路切換狀態(tài)時將消耗能量。在同步電路中，時鐘需要進行多次切換，從而造成功耗。在器件或器件的分區(qū)中分配時鐘需要時鐘緩沖器。時鐘緩沖器必須足夠大，以確保較大限度降低時鐘偏差。換言之，電路中的所有點必須同時接受時鐘變換。時鐘分配通常被稱為時鐘樹（Clock Tree），一般會消耗幾乎一半的總系統(tǒng)能量。樹底部的時鐘緩沖器具有相當大的扇出量和很大的體積，因此功耗較高。

目前開發(fā)有多種技術消除切換邏輯的能耗，如時鐘門控。迄今為止，這些技術都無法實現(xiàn)異步設計的更低功耗。

時鐘門控對于異步電路來說并非必備。實際上，異步電路僅在執(zhí)行有效操作時耗能。換言之，無需增加電路的情況下，異步電路的功耗將根據(jù)所提供的性能相應地增加。這意味著，不需要更多調整，這種器件就擁有低待機電流，其功耗也將隨實際提供的性能而增加。

切換性能更出色：除了功耗更低外，含有異步邏輯的器件還將擁有極低的EMI。無論是IC設計人員還是較終用戶，它帶來的好處數(shù)不勝數(shù)。

全球或當?shù)貢r鐘是影響EMI的一個較大因素。由于同步電路中的全球時鐘需要同時隨處進行切換，因此同步器件所發(fā)出的EMI在特定頻率時將擁有相當明顯的峰值。

高速器件所發(fā)出的EMI噪聲將進入PCB的電源層。隨后該噪聲將出現(xiàn)在外部I/O或布線中，在線纜中引起多余且通常超標的輻射。第一道防線采用解耦電容，而更昂貴的屏蔽或共模扼流圈將用作較后一道防線。

電源層上的EMI也使得電源的設計更加復雜。對于高速運轉的同步電路，電源必須經(jīng)過濾波或過量裕量，以符合電源層上所產(chǎn)生的電壓尖脈沖。

這些噪聲和電源問題加在一起，增加了設計人員的設計難度，尤其在特定設計中使用大量高速DSP時。通過消除對于全球同步時鐘的需要，異步邏輯設計可以減輕或解決這些問題�？梢燥@著地降低EMI，使PCB設計更簡單并提高系統(tǒng)的可靠性。異步電路電源波紋的缺失相當引人注目，它表明可以獲得更好的切換性能。

圖3顯示了同步和異步DSP電源噪聲之間的典型差異。這些圖是示波器的屏幕截圖，測量了高性能DSP在電源層上產(chǎn)生的噪聲。

圖3. 同步DSP電壓波紋。

圖4. 異步DSP電壓波紋。

在IC設計人員眼中，更出色的切換性能代表更可靠的電路。電路同時發(fā)生大規(guī)模切換時，將產(chǎn)生非常大的瞬時電流。在器件的電網(wǎng)上顯示為IR降。這意味著電網(wǎng)的某一區(qū)域在此時的電壓較低。這是意料之中的正常情況，通常都通過設計驗證來確保電網(wǎng)能承受預計的較大電壓下降。有時這也是一種限制因素，妨礙設計人員在邏輯的特定區(qū)域進行進一步設計。

消除時鐘偏差：采用異步設計還有很多原因。低于90納米的硅片是生產(chǎn)的趨勢。這可以從硅制造商大力投入以糾正一系列問題上得以證明。他們已著手開發(fā)干涉計量學（Interferometric Metrology）等高級技術，盡量使光罩的較小特征尺寸小于當前的曝光波長。

由于這些變量會提高器件的偏差量，因此在過程中控制它們非常重要。時鐘偏差被定義為時鐘信號到達電路中不同點的時間差。由于相同時鐘上的所有邏輯必須有序地運行，因此時鐘偏差必須保持在較低水平，以確保電路正確運行。器件的時鐘頻率越高，可允許的偏差越小。

隨著特征尺寸的減少，時鐘偏差的問題將更加嚴重。相比以前，特定晶圓中將分為“慢速”芯片和“快速”芯片；由于密度大幅增加，單個芯片中的變量也將有所體現(xiàn)。這種狀況的性質對于大型單片同步器件意義非常重大。

采用異步DSP核可避免此類問題。DSP核基于小型自計時電路。因此所有定時對于該邏輯塊相關的小區(qū)域都是本地的。

穩(wěn)定性更高：半導體主要受三大物理屬性影響：制作流程速度、電源電壓電平和溫度。如果這些特征發(fā)生任何變化，將造成晶體管運轉更快或更慢的情況。

同步電路必須在上述參數(shù)的較佳和較差狀態(tài)值下進行靜態(tài)時序分析（static timing analysis），以確保器件工作正常。換而言之，同步電路有一個可以使電路停止工作的“切斷點”。

由于異步電路是自計時電路，因此它們在物理特征變化時只須加速或減速。因為控制自計時的邏輯與處理邏輯處于相同區(qū)域，所以溫度和電壓等環(huán)境變化都會對兩者造成影響。所以，異步電路針對抵抗動態(tài)電壓下降等瞬時變化的抗影響性能更好，還將根據(jù)長期溫度和電壓變化進行自動調整。

橫空出世：通用異步DSP

由于成功采用異步設計技術的各種器件不斷出現(xiàn)，異步設計正受到越來越多的關注。異步邏輯的優(yōu)點眾所周知。包括低功耗和更穩(wěn)定的設計等等。

直到較近，異步電路僅僅在非常必要時才使用。由于學術界的偏見，它們通常被視為邊緣產(chǎn)品�，F(xiàn)在，許多商用器件已經(jīng)開發(fā)了上述針對各類小眾市場的功能。

完全基于異步邏輯的通用DSP核的出現(xiàn)表明，現(xiàn)有的工具、技術和知識創(chuàng)造的商用產(chǎn)品可應用于更大的客戶群體。更吸引人的是，該器件可與任何現(xiàn)有DSP一樣進行同樣的編程和操作。也就是說，這個解決方案在絲毫不影響可用性的基礎上，實現(xiàn)了異步技術的所有優(yōu)點。

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