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          異步 DSP 核心設(shè)計: 更低功耗,更高性能

          作者: 時間:2008-06-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          目前,處理器性能的主要衡量指標(biāo)是時鐘頻率。絕大多數(shù)的集成電路(IC)都基于同步架構(gòu),而同步架構(gòu)都采用全球一致的時鐘。這種架構(gòu)非常普及,許多人認(rèn)為它也是數(shù)字電路的唯一途徑。然而,有一種截然不同的技術(shù)即將走上前臺:設(shè)計。

          這一新技術(shù)的主要推動力來自硅技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。隨著硅產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)縮小到90納米以內(nèi),降低就已成為首要事務(wù)。設(shè)計具有低、電路更可靠等優(yōu)點(diǎn),被看作是滿足這一需要的途徑。

          技術(shù)由于諸多原因曾經(jīng)備受冷落,其中最重要的是缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的工具流。IC設(shè)計團(tuán)隊面臨著巨大的壓力,包括快速地交付設(shè)備,使用高級編程語言和標(biāo)準(zhǔn)的事件驅(qū)動架構(gòu)(EDA)工具,幫助實(shí)施合成、定時和驗(yàn)證等任務(wù)。如果異步設(shè)計可以使用此類工具,那么可以預(yù)計將會出現(xiàn)更多采用異步邏輯組件的設(shè)備。

          在過去,小型異步電路僅用作同步電路的補(bǔ)充。僅僅在最近,新發(fā)布的商用設(shè)備才主要基于異步設(shè)計。但是此類設(shè)備主要針對小眾市場,如要求超低和穩(wěn)定電流的嵌入式感應(yīng)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()橫空出世。無論是IC設(shè)計人員還是最終用戶,它帶來的好處數(shù)不勝數(shù)。

          同步與異步

          目前的數(shù)字設(shè)計事實(shí)上采用的是同步設(shè)計技術(shù)。由于歷史原因,這種方法得到了改良,設(shè)計工具也不斷演化。目前有一種標(biāo)準(zhǔn)流以高級語言為基礎(chǔ),可實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)。同步設(shè)計還可以輕松地擴(kuò)展設(shè)備性能。設(shè)計人員只須提高時鐘頻率,就能使設(shè)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(jī)(FSM)驅(qū)動。觸發(fā)器被用于存儲當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)接收到時鐘信號時,觸發(fā)器將更新所存儲的值。

          的設(shè)計過程中,邏輯階段必不可少。這些階段實(shí)施操作并將結(jié)果傳遞到下一階段。下圖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。



          Logic邏輯
          Clocksignal時鐘信號

          對于異步,邏輯階段被調(diào)整以消除時鐘。下圖顯示了這種DSP架構(gòu)的基本構(gòu)造。不是由時鐘控制門閂線路,而實(shí)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(dāng)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(yīng)地改變電壓、處理速度和溫度。




          Delaycontrol延時控制
          Logic邏輯

          異步設(shè)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(shè)計來解決具體問題。但是,異步邏輯也可用作完整DSP的基礎(chǔ),而不僅僅是設(shè)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(shè)計的好處

          采用異步設(shè)計的理由非常吸引人。在正確使用中,這種方法可以實(shí)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(shè)計。

          功耗更低:與同步DSP核心相比,異步DSP最重要的好處就是功耗更低。事實(shí)上,這種異步核心的能效數(shù)量級高于最好的同步DSP。

          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(shè)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(dǎo)體技術(shù)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(shù)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(jìn)行多次切換,從而造成功耗。在設(shè)備或者設(shè)備的分區(qū)中分配時鐘需要時鐘緩沖器。時鐘緩沖器必須足夠大,以確保最大限度降低時鐘偏差。換言之,電路中的所有點(diǎn)必須同時接受時鐘變換。時鐘分配通常被稱為時鐘樹(ClockTree),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(dāng)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(shù)消除切換邏輯的能耗,如時鐘門控。迄今為止,這些技術(shù)都無法實(shí)現(xiàn)異步設(shè)計的更低功耗。

          時鐘門控對于異步電路來說并非必備。實(shí)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(yīng)地增加。這意味著,不需要更多調(diào)整,這種設(shè)備就擁有低待機(jī)電流,其功耗也將隨實(shí)際提供的性能而增加。

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

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

          高速設(shè)備所發(fā)出的EMI噪音將進(jìn)入PCB的電源層。隨后該噪音將出現(xiàn)在外部I/O或布線中,在線纜中引起多余且通常超標(biāo)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線圈將用作最后一道防線。

          電源層上的EMI也使得電源的設(shè)計更加復(fù)雜。對于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的同步電路,電源必須經(jīng)過過濾或過量儲備,以符合電源層上所產(chǎn)生的電壓尖脈沖。

          這些噪音和電源問題加在一起,增加了設(shè)計人員的設(shè)計難度,尤其在特定設(shè)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(shè)計可以減輕或解決這些問題??梢燥@著地降低EMI,使PCB設(shè)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(dāng)引人注目,它表明可以獲得更好的切換性能。

          下列圖顯示了同步和異步DSP電源噪音之間的典型差異。這些圖是示波器的屏幕截圖,測量了DSP在電源層上產(chǎn)生的噪音。


          圖1:同步DSP電壓波紋

          圖2:異步DSP電壓波紋


          在IC設(shè)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。在設(shè)備的電網(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(shè)計驗(yàn)證來確保電網(wǎng)能承受預(yù)計的最大電壓下降。有時這也是一種限制因素,妨礙設(shè)計人員在邏輯的特定區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計。

          消除時鐘偏差:采用異步設(shè)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(xué)(InterferometricMetrology)等高級技術(shù),盡量使光罩的最小特征尺寸小于當(dāng)前的曝光波長。

          由于這些變量會提高設(shè)備的偏差量,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(dá)電路中不同點(diǎn)的時間差。

          由于相同時鐘上的所有邏輯必須有序地運(yùn)行,因此時鐘偏差必須保持在最低水平,以確保電路正確運(yùn)行。設(shè)備的時鐘頻率越高,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(yán)重。相比以前,特定晶片中將分為“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(zhì)對于大型單片同步設(shè)備意義非常重大。

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

          穩(wěn)定性更高:半導(dǎo)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(yùn)轉(zhuǎn)更快或更慢的情況。

          同步電路必須在上述參數(shù)的最佳和最差狀態(tài)值下進(jìn)行靜態(tài)時序分析(statictiminganalysis),以確保設(shè)備工作正常。換而言之,同步電路有一個可以使電路停止工作的“切斷點(diǎn)”。

          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?yàn)榭刂谱杂嫊r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(jìn)行自動調(diào)整。


          橫空出世:通用異步DSP

          由于成功采用異步設(shè)計技術(shù)的各種設(shè)備不斷出現(xiàn),異步設(shè)計正受到越來越多的關(guān)注。異步邏輯的優(yōu)點(diǎn)眾所周知。包括低功耗和更穩(wěn)定的設(shè)計等等。

          直到最近,異步電路僅僅在非常必要時才使用。由于學(xué)術(shù)界的偏見,它們通常被視為邊緣產(chǎn)品?,F(xiàn)在,許多商用設(shè)備已經(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核心的出現(xiàn)表明,現(xiàn)有的工具、技術(shù)和知識創(chuàng)造的商用產(chǎn)品可應(yīng)用于更大的客戶群體。更吸引人的是,該設(shè)備可與任何現(xiàn)有DSP一樣進(jìn)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(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了異步技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)。


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