异步流水线综述

大多数现在的系统都是基于时钟的，或者说同步的。这些系统由子系统构造而成，其中的
每个子状态是一个有限状态机。子系统用触发器（寄存器）存储不同的状态，从一个状态
变到另一个状态依赖于全局时钟信号。触发器内的状态更新在时钟信号的边沿完成。尽管
这种方法在数字系统设计中取得很大进展，但也开始面临一些基本的局限性。基于时钟的
系统只有在系统所有部分同时得到时钟时才能正确操作，这只有在时钟线上的延时可以忽
略时才可以做到。然而，随着工艺的进步，系统趋向于变到越来越大，从而使得时钟线上
的延时不再可以被忽略。对于系统设计者来说，时钟歪斜（clock skew）问题成了设计瓶
颈。
系统设计者面临的第二个问题是功耗。从理论上来说，功耗应该与系统中做有用工作的各
种逻辑门相对应。然而在同步系统中，情况不是这样。很多逻辑门在做不必要的开关，仅
仅是因为他们连接到了时钟上了，而不是他们要处理新的输入。事实上，最大的逻辑门就
是时钟本身，即使是系统的一小部分有些有用的事情要做，开关动作也是必需的。
因此，在过去几年中，时钟树或异步系统的设计变的对设计者很有吸引力。异步系统是一
种系统内没有全局同步的系统，系统内的子系统只是局部同步，子系统间通过通信协议进
行通信。子系统间涉及某些请求／应答类握手协议的系统称作自定时系统。因为大多数实
际的异步系统都是自定时系统，这些术语在文献中通常是同一意思。
在同步系统中，从功耗角度说，为避免时钟歪斜所作出的代价是非常高的。然而，由于异
步系统中没有全局时钟，很好的解决了这个问题。而且，对一个特定子系统来说，只有数
据通过它时，才产生转换，因此当子系统空闲时没有动态功耗。这使得异步系统对低功耗
设计很有吸引力。
异步系统中，一个子系统产生的结果一产生就可以被其他子系统消耗，不需要等待全局时
钟的改变。因此，异步系统受限于子系统平均情况下的性能而不是最坏情况下（如同步系
统）中的性能。而且，一个子系统可以很容易的用另一个功能相同而性能不同的子系统代
替。在同步系统中，这种替换是不容易做到的，因为时钟周期可能需要重新计算。
前述的特征使得异步设计风格对数字系统设计技术发展水平非常有吸引力。很多风格的异
步系统流行起来，其中最著名的是捆绑数据协议和双轨协议。在这些系统中，通信协议还
可以采用两种形式，如四相和两相协议。

 

 

英特尔每推出一颗芯片，除了标出价格外，还会亮出另一个更重要指标，这就是时
钟速度。英特尔总是将芯片速度作为最大的市场卖点，对种种“功能过剩”的预言置若
罔闻，坚持不懈地推出速度越来越快的芯片，从而稳坐芯片制造业头把交椅。与此同时
，时钟速度还在芯片设计工程师们的工作起着至关重要的作用，因为他们考虑的第一件
事情，就是如何在下一次“钟摆”（Clock Tick）之前，将某项任务执行完毕。所以，
对大多数芯片设计师来说，没有时钟是不可思议的。
    但是，美国硅谷的一些新兴公司、大学和企业实验室却正在从事一种无时钟芯片（
Clockless Chip）的研发，对这里的研究人员而言，时钟速度和时钟都不重要。他们的
信念是，带时钟的芯片已经山穷水尽，而这种又名“异步设计”或“自计时电路”（Se
lf-timed Circuit）的芯片却有不同凡响之处。他们深信，芯片业除了最终接受它之外
，将别无选择。
     其实，传统芯片设计师已经发现，随着系统变得越来越复杂，用时钟来统领整个系
统已变得越来越困难。现在的芯片时钟需要协调几百万个晶体管的工作，因此随着芯片
的复杂化，时钟自身消耗的能量在芯片的全部能耗中所占的比例越来越大。
     异步（无时钟）芯片放弃时钟，省却了这一部分能耗，从而拥有了很多优势。其中
之一是它大大地提高了电能利用效率，直接延长了电池寿命。此外它还具有计算速度方
面的优势。在Sun、英特尔和IBM等公司的实验室里，无时钟芯片提高了高端处理器的工
作速度。英特尔在1997年开发了一颗与奔腾系统兼容的异步测试芯片，其运行速度是同
等同步芯片的三倍，而能耗却只有后者的一半。硅谷新兴公司特修斯逻辑（Theseus Lo
gic）公司的创始人和首席技术官卡尔·范特还发现并关注着异步芯片的另一大优势：由
于这些芯片不像带时钟的电路那样，有规律地发出时间信号，所以它们能执行一种更加
难以辨识和攻破的加密算法。加密性的提高，将使异步芯片成为智能卡的当然之选。
     那么，无时钟芯片的拥护者们是不是走对了路呢？坦率地说，答案是肯定的。只不
过，尽管这种技术的优势是显而易见的，但无时钟芯片在更大程度上还停留在理论层面
上，至今尚未步入实用阶段。
    一条早年放弃的路线
     早在1946年，现代计算机技术的创始者们就考虑过异步设计。不过这些早期的计算
机工程师还是选择了时钟。因为在他们当时的设计环境里，使用的是真空管和中继电路
，没有时钟来控制全局，就无法开发出可靠的计算机。而通过使用时钟，工程师们可以
找到一种防故障的方法，即使在部件不可靠的情况下，也能保证计算机的稳定可靠。
     做了这种选择后，产生了摩尔定律，带来了开天辟地的效应，使得半导体业里的所
有研究、开发和生产活动都将目光集中到带时钟的芯片上。到20世纪60年代，除了在从
大学里冒出的一、两篇深奥论文中还有一点身影之外，无时钟芯片的概念基本上消失了
。因此，在今天的芯片中，时钟仍然是一个关键部分。在这些芯片中，当微处理器执行
指定的操作时，电子信号沿着细微的金属线路前进－分流、交汇、进入逻辑门－直到最
后将结果积存到叫做寄存器的临时内存条中。在计算过程中，寄存器里的值是变化的。
这是因为执行某操作的信号在到达寄存器之前，沿着不同的路径行进，只有全部信号都
走完了自己的路程后，寄存器才将正确的值确定下来。时钟的作用就是保证在指定的时
间内得出结果。这样设计出来的芯片能保证电路中最慢的那条路径（线路最长、逻辑门
作速度。英特尔在1997年开发了一颗与奔腾系统兼容的异步测试芯片，其运行速度是同
等同步芯片的三倍，而能耗却只有后者的一半。硅谷新兴公司特修斯逻辑（Theseus Lo
gic）公司的创始人和首席技术官卡尔·范特还发现并关注着异步芯片的另一大优势：由
于这些芯片不像带时钟的电路那样，有规律地发出时间信号，所以它们能执行一种更加
难以辨识和攻破的加密算法。加密性的提高，将使异步芯片成为智能卡的当然之选。
     那么，无时钟芯片的拥护者们是不是走对了路呢？坦率地说，答案是肯定的。只不
过，尽管这种技术的优势是显而易见的，但无时钟芯片在更大程度上还停留在理论层面
上，至今尚未步入实用阶段。
    一条早年放弃的路线
     早在1946年，现代计算机技术的创始者们就考虑过异步设计。不过这些早期的计算
机工程师还是选择了时钟。因为在他们当时的设计环境里，使用的是真空管和中继电路
，没有时钟来控制全局，就无法开发出可靠的计算机。而通过使用时钟，工程师们可以
找到一种防故障的方法，即使在部件不可靠的情况下，也能保证计算机的稳定可靠。
     做了这种选择后，产生了摩尔定律，带来了开天辟地的效应，使得半导体业里的所
有研究、开发和生产活动都将目光集中到带时钟的芯片上。到20世纪60年代，除了在从
大学里冒出的一、两篇深奥论文中还有一点身影之外，无时钟芯片的概念基本上消失了
。因此，在今天的芯片中，时钟仍然是一个关键部分。在这些芯片中，当微处理器执行
指定的操作时，电子信号沿着细微的金属线路前进－分流、交汇、进入逻辑门－直到最
后将结果积存到叫做寄存器的临时内存条中。在计算过程中，寄存器里的值是变化的。
这是因为执行某操作的信号在到达寄存器之前，沿着不同的路径行进，只有全部信号都
走完了自己的路程后，寄存器才将正确的值确定下来。时钟的作用就是保证在指定的时
间内得出结果。这样设计出来的芯片能保证电路中最慢的那条路径（线路最长、逻辑门
路最多的路径）中的信号在一次钟摆内到达寄存器。
     有中央时钟来控制操作，工程师就无需担心几百万条无穷小线路的长度不等了。信
号也可以按任意次序到达寄存器，只要在时钟进行下一次摆动之前全部到达寄存器即可
。有数百名工程师的设计团队也可以在时钟这个统一的原则下协同工作。而我们所有人
也从中受益匪浅：在30多年的时间里，基于时钟的设计原理使得芯片性能得以奇迹般地
按指数增长。
     但是，在到达一定限度后，提高时钟速度得到的回报越来越少了。正因为如此，1
GHz芯片的运行速度并没有达到500MHz芯片运行速度的两倍。时钟由于必须协调芯片上几
百万个晶体管的工作，产生了一些额外消耗。在一颗出色的微处理器中，时钟也会消耗
掉30%的芯片计算能力。随着时钟速度的提高，这个比例还在以更快的速度增长。这好比
在一家过于严格的工厂里，监管人员都手持秒表进行监督，虽然提高了效率，但他们同
时也占据了更多的人、机空间。
     时钟芯片消耗的能量也越来越大。对每秒摆动10亿次的几千万个晶体管进行协调，
需要消耗大量的能量，而多数能量最终又转化为热量。英特尔首席技术官帕特里克·杰
尔辛格在去年“国际固体电路研讨会”上的主题发言中也提到过这个问题。杰尔辛格半
开玩笑地说，如果微处理器运行的时钟速度继续提高，那么到2005年，芯片运行时将有
核反应堆那么热。
     不过，传统芯片面临的最紧迫的问题，或许还是时钟速度的进一步提高将面临一些
物理实现上的不便之处。在今天的1GHz芯片中，代表二进制的1和0的电子脉冲还勉强能
在一次钟摆内在芯片里行走一圈，但在预计将于两年后出品的2GHz芯片中，这将不再是
可能的事情。时钟现在所起的作用是使芯片上的所有工作同步，但是这种作用也就到此
为止了。
     无时钟芯片牛刀小试
     放弃时钟，芯片厂商就可以摆脱这种困境。无时钟芯片只在做有意义的工作时才使
用电源，这将为使用电池的设备节省很多能量。例如，飞利浦电子公司销售的基于异步
芯片的寻呼机与使用传统芯片的竞争产品相比，使用时间几乎增加了一倍。
     就像马队的行进速度只能按跑得最慢的那匹马的速度来计一样，时钟芯片的运行速
度也不会比其最慢的那条电路快，只有各个部件都完成自己的工作后，才能得到结果。
与此相反，异步芯片中的晶体管可以独立交换信息，无需等待任何别的部件。这样的结
果就是，它能以所有元件的平均速度来运行，而不是整个芯片中最慢的那个部件的速度
。英特尔和Sun都用这种技术开发出了运行速度比使用传统电路的同等产品快两、三倍的
芯片原型。
     无时钟芯片的另一大优点是，它们发出的电磁噪音非常低。而在时钟芯片中，时钟
速度越快，防止它干扰其它设备就越困难。取消时钟，也就解决了这个问题。噪音低，
再加能耗低，使得异步芯片成了移动设备的自然之选。咨询公司恩斯特-杨的技术战略家
约比·本杰明说，最先摘到的无时钟芯片果实将是通信设备。本杰明对这种技术的前景
深信不疑，他个人还对加利福尼亚理工学院外新兴的无时钟芯片公司异步数字设备公司
进行了投资。
     另外两家新公司，特修斯公司和英国曼彻斯特的自计时方案公司则将目光集中到用
于智能卡的无时钟芯片上。特修斯的范特认为，阻碍智能卡发展的关键问题是传统芯片
易于被人通过观察它的信号，攻破其安全密码。范特说：“时钟是最明显的信号，好象
在对人说‘好了，现在看吧。’这像从一个列队行进的乐队中寻找一个人一样。而异步
芯片中的信号则像一堆散乱的人群，从中观察不到明确的信号，黑客不知道从何处下手
。”
     无时钟芯片所有具有的这些速度、能量利用效率和保密性优势，不只是对一些特定
的应用重要，对任何芯片而言都是重要的目标。但是，为什么Sun、IBM和英特尔都有小
型研究队伍，专门从事特定用途的异步芯片开发，它们之中却没有谁（也没有其它公司
）推出通用无的时钟微处理器呢？这似乎是一个令人费解的疏忽。一个差不多将提高处
理器速度视为神圣目标的产业，却放弃了提高芯片速度的一个最有前途的方法。你或许
要问为什么。
     到底为什么呢？答案是，尽管与时钟芯片相比，这种芯片的速度提高了两倍，而消
耗的电能却只有一半，但是这还不能成为改变一种根本技术的充足理由。在实验室里，
或许异步芯片要领先同步芯片若干年，但是，进行传统微处理器生产的设计、测试和制
造系统，仍然要领先异步芯片生产的任何方面大约20年。任何人想要发展无时钟芯片，
就需要想办法缩短这个差距。
     飞利浦的异步芯片能让该公司的寻呼机在用同样电池的情况下，使用时间增加到采
用时钟芯片的寻呼机的两倍。但是，在这种产品于1998年登场的背后，是长达十年的专
心致志的研究。异步芯片研究人员从一开始就知道，他们不仅仅是在开发另一种类型的
芯片，而是在寻找设计、测试和制造这种芯片的一整套路子。而这谈何容易。
    无时钟芯片奋起直追
     将无时钟芯片推向市场的第一个巨大障碍是缺少提高其设计速度的自动工具。二十
年前，一群工程师还可以在纸上画芯片的电路图。但是今天，一般都是几百名工程师一
起工作，协调他们行动的唯一希望是使用计算机辅助工具。这样，异步芯片设计人员就
面临一个先有鸡还是先有蛋的问题：如果异步芯片没有一个很大的市场，就无法激励大
家去创建这种芯片的开发工具；如果没有工具，又生产不出芯片。芯片测试工具的开发
也面临同样的问题。没有大量等待测试的芯片，也就没有第三方测试工具的市场。
     飞利浦在开发寻呼机芯片时，确定走出这个困境的唯一办法是自己投资，开发需要
的工具。另外，为了推动异步芯片技术的发展，哥伦比亚大学的史蒂文·诺维克和曼彻
斯特大学的史蒂夫·弗柏两位计算机科学家也分别开发了一套设计工具，作为共享件推
出。
     除了新一代设计和测试设备之外，成功地开发无时钟芯片还需要懂异步设计的人才
。而这样的人才很稀少，因为异步原理跟各大学培养工程人才的方法格格不入。在传统
芯片中，到达寄存器的值可以是不正确的，也可以不按顺序到达。但在无时钟芯片中，
第一次到达寄存器的值就必须是正确的。实现这个目标的一个办法就是密切注意线路长
度和连到寄存器的逻辑门路数目等细节，保证信号按适当的逻辑序列进入寄存器。这就
意味着进行这种芯片的物理设计时，必须要比搞同步芯片设计倍加小心，而传统芯片设
计师却没有接受过如此严格的培训。
     为了保证第一次到达寄存器的值就是正确的，特修斯等公司采用了另一个办法，在
芯片上开一个通信通道。时钟芯片在同一条线路上用高、低电压来表示1和0，与此相反
，这样得到的“双轨”电路却采用两条线路，不仅可以发送比特，还可以发送表示工作
完成时间的“握手”信息。另外，范特还建议用他所谓的“零传统逻辑”来替代传统数
字逻辑体系。这是一个不仅能辨识“是”和“否”，还能识辨“尚无结果”的方案－是
一种能让无时钟芯片确定某操作还未完成的简便办法。这些思想和方法跟以前的很不相
同，实行起来会让原来那些接受钟摆设计训练的工程师们搞晕头。正因为如此，从事异
步芯片开发的最新的两家公司，异步数字设备公司和自计时方案公司，员工都来自加利
福尼亚理工学院和曼彻斯特大学。这两所大学都已经进行过相当长时间的无时钟芯片研
究。
     一种芯片要取得成功，设计工具、制造效率和有经验的设计人员三个因素缺一不可
。不过，尽管无时钟芯片要想成为主流产品，还有很长的路要走，但是我们可以看到向
这种芯片的转移已经开始。英特尔于1997年启动了异步芯片项目，还在今年发布的奔腾
4芯片中吸纳进了一些无时钟技术。
    那么，无时钟芯片拥护者们所预见的这场革命会怎样发展呢？在芯片制造这种成熟
的产业里，取替一种占统治地位的技术自然不可能一蹴而就。但是随着时间的推移，环
境的变化，市场天平会慢慢偏向无时钟芯片一边。人们会写出很多相关文章，开发出足
够多的工具，培养出充足的人才，将这种目前只应用于一些特殊领域的芯片推向更大的
市场将不再是不现实的事情了。
     无时钟芯片能给这个产业带来革命，能像我们所期待于摩尔定律的那样，迅速促进
向更快、更便宜的芯片发展的趋势。在下一波变革浪潮中，赢家将是那些能把握好行动
时机的公司。