实现更低功耗和更高性能的通用数字信号处理器异步设计

目前，处理器性能的主要衡量指标是时钟频率。绝大多数的集成电路 （IC） 设计都基于同步架构，而同步架构都采用全球一致的时钟。这种架构非常普及，许多人认为它也是数字电路设计的唯一途径。然而，有一种截然不同的设计技术即将走上前台：异步设计。

这一新技术的主要推动力来自硅技术的发展状况。随着硅产品的结构缩小到 90 纳米以内，降低功耗就已成为首要事务。异步设计具有功耗低、电路更可靠等优点，被看作是满足这一需要的途径。

异步技术由于诸多原因曾经备受冷落，其中最重要的是缺乏标准化的工具流。IC 设计团队面临着巨大的压力，包括快速地交付设备，使用高级编程语言和标准的事件驱动架构 （EDA） 工具，帮助实施合成、定时和验证等任务。如果异步设计可以使用此类工具，那么可以预计将会出现更多采用异步逻辑组件的设备。

在过去，小型异步电路仅用作同步电路的补充。仅仅在最近，新发布的商用设备才主要基于异步设计。但是此类设备主要针对小众市场，如要求超低功耗和稳定电流的嵌入式感应器。

我们正在见证一款完全基于异步逻辑的通用数字信号处理器 （DSP） 核心横空出世。无论是 IC 设计人员还是最终用户，它带来的好处数不胜数。

同步与异步

目前的数字设计事实上采用的是同步设计技术。由于历史原因，这种方法得到了改良，设计工具也不断演化。目前有一种标准流以高级语言为基础，可实现快速开发。同步设计还可以轻松地扩展设备性能。设计人员只须提高时钟频率，就能使设计变得更快。

同步法包括建立功能模块，每个模块由一个按时钟信号控制的有限状态机 （FSM） 驱动。触发器被用于存储当前状态。当接收到时钟信号时，触发器将更新所存储的值。

在 DSP 的设计过程中，逻辑阶段必不可少。这些阶段实施操作并将结果传递到下一阶段。下图表示单个阶段的简单模型。异步逻辑用于在两个触发器之间计算电路的新状态。例如，该逻辑云可执行加法或乘法。

Logic 逻辑

Clock signal 时钟信号

对于异步 DSP 核心，逻辑阶段被调整以消除时钟。下图显示了这种DSP 架构的基本构造。不是由时钟控制门闩线路，而实际上是传递了一个完成信号给下一逻辑阶段。根据逻辑云所执行的操作，在恰当时候可生成完成信号。

这种本地延迟控制可以保证电路的稳定。由于控制电路时间的逻辑就在本地，它就可以相应地改变电压、处理速度和温度。

Delay control 延时控制

Logic 逻辑

异步设计有许多种不同的途径，而前提是电路不受单一时钟控制。多数情况下，异步逻辑被用于通过专门的电路设计来解决具体问题。但是，异步逻辑也可用作完整 DSP 核心的基础，而不仅仅是设计中偶尔需要的一种工具。其好处包括降低功耗、可靠性提高以及电磁干扰 （EMI） 低。

异步设计的好处

采用异步设计的理由非常吸引人。在正确使用中，这种方法可以实现更低的能耗、更好的 EMI 性能；由于消除了全球时钟偏差，真正地简化了设计。

功耗更低：与同步 DSP 核心相比，异步 DSP 最重要的好处就是功耗更低。事实上，这种异步核心的能效数量级高于最好的同步DSP。

随着硅产品尺寸的缩小，功耗问题越来越重要。由于线路长度为线性而面积为平方，单位面积硅功耗将随着尺寸的缩减而增加。目前，通过降低电压，数字设计人员已经成功地解决了这个问题；但由于电压阈值的限制，目前的半导体技术无法再有效地降低电压。要想有效地利用新增加的功能，必须降低各个功能的功耗。

在CMOS 技术中，门电路切换状态时将消耗能量。在同步电路中，时钟需要进行多次切换，从而造成功耗。在设备或者设备的分区中分配时钟需要时钟缓冲器。时钟缓冲器必须足够大，以确保最大限度降低时钟偏差。换言之，电路中的所有点必须同时接受时钟变换。时钟分配通常被称为时钟树（Clock Tree），一般会消耗几乎一半的总系统能量。树底部的时钟缓冲器具有相当大的扇出量和很大的体积，因此功耗较高。

目前开发有多种技术消除切换逻辑的能耗，如时钟门控。迄今为止，这些技术都无法实现异步设计的更低功耗。

时钟门控对于异步电路来说并非必备。实际上，异步电路仅在执行有效操作时耗能。换言之，无需增加电路的情况下，异步电路的功耗将根据所提供的性能相应地增加。这意味着，不需要更多调整，这种设备就拥有低待机电流，其功耗也将随实际提供的性能而增加。

切换性能更出色：除了功耗更低外，含有异步逻辑的设备还将拥有极低的 EMI。无论是 IC 设计人员还是最终用户，它带来的好处数 不胜数。

全球或当地时钟是影响 EMI 的一个最大因素。由于同步电路中的全球时钟需要同时随处进行切换，因此同步设备所发出的 EMI 在特定频率时将拥有相当明显的峰值。

高速设备所发出的 EMI 噪音将进入 PCB 的电源层。随后该噪音将出现在外部 I/O 或布线中，在线缆中引起多余且通常超标的辐射。第一道防线采用解耦电容，而更昂贵的屏蔽或共模扼流线圈将用作最后一道防线。

电源层上的 EMI 也使得电源的设计更加复杂。对于高速运转的同步电路，电源必须经过过滤或过量储备，以符合电源层上所产生的电压尖脉冲。

这些噪音和电源问题加在一起，增加了设计人员的设计难度，尤其在特定设计中使用大量高速 DSP 时。通过消除对于全球同步时钟的需要，异步逻辑设计可以减轻或解决这些问题。可以显着地降低 EMI，使 PCB 设计更简单并提高系统的可靠性。异步电路电源波纹的缺失相当引人注目，它表明可以获得更好的切换性能。

下列图显示了同步和异步 DSP 电源噪音之间的典型差异。这些图是示波器的屏幕截图，测量了高性能 DSP 在电源层上产生的噪音。

图 1：同步 DSP 电压波纹

图 2：异步 DSP 电压波纹

在 IC 设计人员眼中，更出色的切换性能代表更可靠的电路。电路同时发生大规模切换时，将产生非常大的瞬时电流。在设备的电网上显示为 IR 降。这意味着电网的某一区域在此时的电压较低。这是意料之中的正常情况，通常都通过设计验证来确保电网能承受预计的最大电压下降。有时这也是一种限制因素，妨碍设计人员在逻辑的特定区域进行进一步设计。

消除时钟偏差：采用异步设计还有很多原因。低于 90 纳米的硅片是生产的趋势。这可以从硅制造商大力投入以纠正一系列问题上得以证明。他们已着手开发干涉计量学（Interferometric Metrology）等高级技术，尽量使光罩的最小特征尺寸小于当前的曝光波长。

由于这些变量会提高设备的偏差量，因此在过程中控制它们非常重要。时钟偏差被定义为时钟信号到达电路中不同点的时间差。

由于相同时钟上的所有逻辑必须有序地运行，因此时钟偏差必须保持在最低水平，以确保电路正确运行。设备的时钟频率越高，可允许的偏差越小。

随着特征尺寸的减少，时钟偏差的问题将更加严重。相比以前，特定芯片中将分为“慢速”芯片和“快速”芯片；由于密度大幅增加，单个芯片中的变量也将有所体现。这种状况的性质对于大型单片同步设备意义非常重大。

采用异步 DSP 核心可避免此类问题。DSP 核心基于小型自计时电路。因此所有定时对于该逻辑块相关的小区域都是本地的。

稳定性更高：半导体主要受三大物理属性影响：制作流程速度、电源电压电平和温度。如果这些特征发生任何变化，将造成晶体管运转更快或更慢的情况。

同步电路必须在上述参数的最佳和最差状态值下进行静态时序分析（static timing analysis），以确保设备工作正常。换而言之，同步电路有一个可以使电路停止工作的“切断点”。

由于异步电路是自计时电路，因此它们在物理特征变化时只须加速或减速。因为控制自计时的逻辑与处理逻辑处于相同区域，所以温度和电压等环境变化都会对两者造成影响。所以，异步电路针对抵抗动态电压下降等瞬时变化的抗影响性能更好，还将根据长期温度和电压变化进行自动调整。

横空出世：通用异步 DSP

由于成功采用异步设计技术的各种设备不断出现，异步设计正受到越来越多的关注。异步逻辑的优点众所周知。包括低功耗和更稳定的设计等等。

直到最近，异步电路仅仅在非常必要时才使用。由于学术界的偏见，它们通常被视为边缘产品。现在，许多商用设备已经开发了上述针对各类小众市场的功能。

完全基于异步逻辑的通用 DSP 核心的出现表明，现有的工具、技术和知识创造的商用产品可应用于更大的客户群体。更吸引人的是，该设备可与任何现有 DSP 一样进行同样的编程和操作。也就是说，这个解决方案在丝毫不影响可用性的基础上，实现了异步技术的所有优点。

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