È tempo di chip senza clock

Stiamo sostituendo la dittatura con l'anarchia! Karl Fant me lo dice con enfasi. Coda di cavallo e animato, il fondatore e direttore tecnico di Theseus Logic riempie la lavagna di ampi esempi illustrativi, inginocchiandosi per utilizzare ogni parte dello spazio di scrittura disponibile. È nei calzini. Alla fine ogni chip sarà progettato in questo modo, dichiara. È inevitabile!

Anche nella Silicon Valley, dove è noto che i fondatori delle società assecondano le loro tendenze anticonformiste, l'ufficio di Fant a Sunnyvale, in California, è una sorpresa. La sua scrivania bassa è coperta da un ammasso informe di appunti, trascrizioni e altra roba di carta, tutti leggermente ammuffiti verso il centro. Non ci sono solo cuscini per sedie sparsi senza arte sul pavimento. Se ti capita di essere me, inizi a pentirti di aver indossato un vestito e ti chiedi dove esattamente dovresti sederti. Ma no: Fant ti porta in una sala conferenze convenzionale accanto, dove, per fortuna, c'è una sedia. È lì che inizia a evangelizzare la prossima rivoluzione intesa a strappare i chip dei computer dai vincoli del passato.

Come? Buttando via l'orologio, il modo fondamentale in cui i chip, dagli albori dell'era dei computer, hanno organizzato ed eseguito il loro lavoro. Anche quelli di noi che non sanno nulla dei microprocessori sanno qualcosa dei loro orologi: Intel per anni ha utilizzato la velocità di clock dei suoi microprocessori come strumento di marketing, dove più veloce è meglio. Il numero che domina la maggior parte degli annunci per computer, insieme al prezzo, è un'etichetta come 1,3 GHz (o gigahertz). Quella cifra si riferisce alla velocità dell'orologio che governa il funzionamento interno del microprocessore della macchina. All'interno di ogni microprocessore da un gigahertz, per esempio, c'è un cristallo oscillante che ticchetta un miliardo di volte al secondo. Gli ingegneri sono addestrati a progettare chip in cui la loro prima considerazione è portare a termine il lavoro prima che arrivi il prossimo tick dell'orologio. Un chip senza orologio sarebbe utile quanto una pagina di testo senza spazio tra le lettere. Per la maggior parte dei progettisti di chip, è difficile immaginare di buttare via l'orologio.

Ma non per Fant o per i suoi colleghi iconoclasti che lavorano su chip clockless in startup, università e laboratori aziendali. È un piccolo gruppo di ardenti credenti. La loro conferenza annuale attira solo poche centinaia di partecipanti. I leader del settore si conoscono bene e si fanno memorizzare i numeri di cellulare degli altri. Ma mentre i loro metodi e mercati differiscono, sono uniti nella convinzione che i chip con clock hanno fatto il loro corso e sono convinti che i vantaggi del loro approccio anticonformista, noto in alternativa come design asincrono o circuiti autoscattati, sono così grandi che il chip l'industria alla fine non avrà altra scelta che abbracciarla.

I progettisti si stanno rendendo conto che distribuire un orologio su sistemi sempre più complicati sta diventando sempre più difficile e che prima o poi non funzionerà, afferma Alain Martin, professore di informatica al Caltech, che ha costruito il primo microprocessore senza orologio nel 1989 Sottolinea che man mano che i chip diventano più complessi, sempre più potenza necessaria per farli funzionare viene consumata dall'orologio stesso, che ora deve coordinare il lavoro di milioni di transistor.

L'eliminazione di questo sovraccarico conferisce grandi vantaggi ai chip asincroni. Uno è l'efficienza elettrica notevolmente migliorata, che porta direttamente a una durata prolungata della batteria. La tecnologia clockless offre anche un vantaggio nella velocità di elaborazione. Nei laboratori di Sun Microsystems, Intel e IBM, i chip clockless hanno aumentato il ritmo con cui i processori di fascia alta svolgono il loro lavoro. Nel 1997, Intel ha sviluppato un chip di prova asincrono compatibile con Pentium che funzionava tre volte più velocemente, con metà della potenza, rispetto al suo equivalente sincrono.

In Theseus, Fant si è concentrato su un altro vantaggio del design asincrono. Poiché questi chip non emettono alcun segnale a tempo regolare, come fanno i circuiti con clock, possono eseguire la crittografia in un modo che è più difficile da identificare e da decifrare. La crittografia migliorata rende i circuiti asincroni una scelta ovvia per le smart card, le carte di plastica dotate di chip che iniziano a essere utilizzate per applicazioni sensibili alla sicurezza come l'archiviazione di cartelle cliniche, lo scambio di fondi elettronici e l'identificazione personale.

Fant, Martin e altri campioni senza orologio hanno ragione? Francamente, sì. Eppure, nonostante i chiari vantaggi della tecnologia, i chip clockless rimangono più una teoria che una pratica. Il dispositivo Intel, ad esempio, non è mai uscito dal laboratorio. Il fallimento dei chip clockless per guadagnare terreno, infatti, li rende un perfetto caso di studio di uno sviluppo con travolgenti promesse che tuttavia deve affrontare enormi ostacoli all'introduzione sul mercato, anche in un settore noto per l'innovazione continua e rapida.

Il percorso non preso

I fondatori della moderna tecnologia informatica contemplarono il design asincrono già nel 1946. Ma questi primi ingegneri informatici scelsero invece di utilizzare un orologio. All'epoca, è stata la scelta giusta, afferma Jo Ebergen, un ingegnere senior dello staff di Sun che lavora in un gruppo di ricerca asincrono guidato dal collega e vicepresidente di Sun Ivan Sutherland. (Nel 1989, Sutherland, meglio conosciuto come pioniere della computer grafica, ha scritto un articolo che ha riacceso quasi da solo l'interesse per la tecnologia dei chip senza orologio.) Le circostanze in cui hanno dovuto progettare, usando tubi a vuoto e circuiti a relè, significavano che non potrebbero davvero costruire un computer affidabile senza un orologio che regoli il tutto, aggiunge. Usando un orologio, gli ingegneri potevano costruire misure di sicurezza che rendevano i computer affidabili anche quando le parti di cui erano fatti non lo erano.

Da quella prima scelta è derivato l'effetto rullo compressore della legge di Moore, in cui quasi tutta la ricerca, lo sviluppo e la produzione nell'industria dei semiconduttori si sono concentrati su chip con clock. Negli anni '60, la nozione di chip senza orologio era quasi scomparsa, mantenuta in vita solo da uno o due articoli esoterici usciti dalle università. Nelle chips di oggi, quindi, l'orologio resta la parte fondamentale dell'azione. Quando un microprocessore esegue una determinata operazione, i segnali elettronici viaggiano lungo strisce microscopiche di forcella metallica, intersecandosi nuovamente, incontrando porte logiche, fino a depositare finalmente i risultati del calcolo in un banco di memoria temporaneo chiamato registro. Supponiamo che tu voglia moltiplicare 4 per 6. Se potessi rallentare il chip e sbirciare nel registro mentre questo calcolo veniva completato, potresti vedere il valore cambiare molte volte, diciamo, da 4 a 12 a 8, prima di stabilirsi definitivamente giù nella risposta corretta. Questo perché i segnali trasmessi per eseguire l'operazione percorrono molti percorsi diversi prima di arrivare al registro; solo dopo che tutti i segnali hanno completato il loro percorso è assicurato il valore corretto. Il ruolo dell'orologio è garantire che la risposta sia pronta in un dato momento. Il chip è progettato in modo tale che anche il percorso più lento attraverso il circuito, il percorso con i fili più lunghi e il maggior numero di porte, raggiunga il registro entro un singolo clock.

Con un orologio centrale che governa l'azione, gli ingegneri non devono preoccuparsi delle lunghezze variabili di milioni di fili infinitamente piccoli; i segnali possono arrivare al registro in qualsiasi ordine, a patto che si stabilizzino tutti prima del prossimo tick dell'orologio. Squadre di centinaia di ingegneri possono coordinare il loro lavoro attorno al principio unificante dell'orologio. E tutti ne beneficiamo: la disciplina del design basato sull'orologio ha permesso alla magia della crescita esponenziale delle prestazioni dei chip di durare per oltre 30 anni. L'orologio deve essere considerato una delle idee più brillanti nel design, afferma Kevin Normoyle, un illustre ingegnere di Sun che lavora alla progettazione dei microprocessori Sparc di Sun. È così semplice, eppure è un approccio che si è ampliato e ora funziona per milioni di transistor.

Ma dopo un certo punto, aumentare la velocità di clock diventa un esercizio di rendimenti decrescenti. Ecco perché un chip da un gigahertz non è due volte più veloce di un chip da 500 megahertz. L'orologio, attraverso il lavoro che deve svolgere per coordinare milioni di transistor su un chip, genera il proprio sovraccarico. Più veloce è l'orologio, maggiore è l'overhead. L'orologio in un microprocessore all'avanguardia può consumare fino al 30 percento della capacità di calcolo del chip, con tale percentuale che aumenta a una velocità sempre maggiore all'aumentare della velocità di clock. È come se una fabbrica fosse invasa da supervisori armati di cronometro che miglioravano l'efficienza ma occupavano anche sempre più spazio occupato da lavoratori e macchine.

Anche i chip con clock stanno diventando seri divoratori di energia: il lavoro di coordinare decine di milioni di transistor a un miliardo di tick al secondo richiede il consumo di molta energia, la maggior parte della quale finisce sotto forma di calore. Patrick Gelsinger, chief technology officer di Intel, ha fatto riferimento al problema nel suo discorso alla International Solid-State Circuits Conference lo scorso febbraio. Gelsinger stava scherzando solo a metà quando ha detto che se i microprocessori continueranno a essere gestiti da orologi sempre più veloci, entro il 2005 un chip si scalderà come un reattore nucleare.

Forse il problema più urgente con i microprocessori convenzionali, tuttavia, è che puoi solo accelerare così tanto il clock del chip prima di imbatterti in alcune realtà fisiche scomode. Nei chip da un gigahertz di oggi, gli impulsi elettronici che indicano gli uno e gli zeri binari riescono a malapena a superare il chip in un singolo battito dell'orologio. Ma nei chip da due gigahertz previsti in arrivo nei prossimi due anni ciò non sarà più vero. Il ruolo che l'orologio gioca ora, sincronizzando tutto il lavoro su un chip, inizierà a crollare.

Senza tempo al salvataggio

Eliminando l'orologio, i produttori di chip saranno in grado di sfuggire a questo legame. I chip clockless assorbono energia solo quando c'è del lavoro utile da fare, consentendo un enorme risparmio nei dispositivi a batteria; un cercapersone basato su chip asincrono commercializzato da Philips Electronics, ad esempio, funziona quasi il doppio del tempo
prodotti della concorrenza, che utilizzano chip con clock convenzionale.

Come una squadra di cavalli che può correre solo alla velocità del suo membro più lento, un chip con clock non può correre più veloce della sua logica più pigra; la risposta non è garantita finché ogni parte non completa il suo lavoro. Al contrario, i transistor su un chip asincrono possono scambiare informazioni in modo indipendente, senza dover attendere tutto il resto. Il risultato? Invece di far funzionare l'intero chip alla velocità dei suoi componenti più lenti, può funzionare alla velocità media di tutti i componenti. Sia in Intel che in Sun, questo approccio ha portato a prototipi di chip che funzionano da due a tre volte più velocemente rispetto a prodotti comparabili che utilizzano circuiti convenzionali.

Guardala in questo modo, dice Ebergen di Intel. Tu mi dai una cartella, io ci lavoro sopra, te la restituisco e il fatto che te la restituisca indica che ho finito. Non dobbiamo comunicare ogni cinque secondi. Potremmo fare il lavoro molto più velocemente concordando tra noi due quando iniziare e quando portare a termine le cose e non preoccuparci di sincronizzare il nostro lavoro ad ogni passo lungo il percorso.

Un altro vantaggio dei chip clockless è che emettono livelli molto bassi di rumore elettromagnetico. Più veloce è l'orologio, più difficile è impedire a un dispositivo di interferire con altri dispositivi; l'eliminazione dell'orologio elimina quasi del tutto questo problema. La combinazione di basso rumore e basso consumo energetico rende i chip asincroni una scelta naturale per i dispositivi mobili. I frutti a basso costo per i chip clockless saranno nei dispositivi di comunicazione, a partire dai telefoni cellulari, afferma Yobie Benjamin, stratega tecnologico per la società di consulenza Ernst and Young. Benjamin è così convinto della promessa della tecnologia che ha investito personalmente in Asynchronous Digital Design, una startup senza orologio di Caltech.

Altre due nuove aziende, Theseus e Manchester, con sede in Inghilterra, Self-Timed Solutions, si stanno concentrando su chip clockless per smart card. Fant sostiene che un problema chiave che trattiene le smart card è che i chip convenzionali rendono facile decifrare i codici di sicurezza del chip guardando i segnali. L'orologio è come un grande segnale che dice 'Ok, guarda ora', dice Fant. È come cercare qualcuno in una banda musicale. Asincrono è più simile a una folla di folla. Non c'è un segnale chiaro da guardare. I potenziali hacker non sanno da dove cominciare.

Velocità, efficienza energetica e furtività sembrano obiettivi importanti per qualsiasi chip, non solo per quelli utilizzati in poche applicazioni di nicchia. Ma mentre Sun, IBM e Intel hanno tutti piccoli gruppi di ricerca che lavorano su progetti asincroni per applicazioni speciali, né loro né nessun altro hanno annunciato di lavorare su un microprocessore senza clock per uso generale. Questa sembra una strana svista. Un'industria che considera il miglioramento della velocità del processore un obiettivo quasi sacro ha abbandonato una delle strade più promettenti per rendere i chip più veloci. Devi solo chiedere perché.

Perché, ad esempio, Intel ha scartato il suo chip asincrono? La risposta è che, sebbene il chip funzionasse tre volte più velocemente e utilizzasse metà della potenza elettrica rispetto alle controparti con clock, non era un miglioramento sufficiente per giustificare il passaggio a una tecnologia radicale. Un chip asincrono in laboratorio potrebbe essere anni avanti rispetto a qualsiasi progetto sincrono, ma i sistemi di progettazione, test e produzione che supportano la produzione di microprocessori convenzionali hanno ancora circa 20 anni di vantaggio su tutto ciò che supporta la produzione asincrona. Chiunque abbia intenzione di sviluppare un chip senza clock dovrà trovare un modo per cortocircuitare quel cavo.
Se ottieni tre volte la potenza con un progetto asincrono, ma ti ci vuole cinque volte più tempo per arrivare sul mercato, beh, perdi, dice lo scienziato senior di Intel Ken Stevens, che ha lavorato al progetto asincrono del 1997. Non basta essere visionari o dire quanto sia grande questa tecnologia. Tutto torna al fatto che puoi farlo abbastanza velocemente e abbastanza a buon mercato e se puoi continuare a farlo anno dopo anno.

Il chip asincrono di Philips ha dato ai cercapersone dell'azienda la capacità di durare quasi il doppio, con la stessa carica della batteria, delle alternative con clock. Ma il suo debutto nel 1998 ha seguito un decennio di ricerca dedicata. I ricercatori asincroni fin dall'inizio hanno capito che il loro compito non era solo quello di costruire un altro chip, ma piuttosto di costruire un modo per progettare, testare e produrre quel chip. E non è stato facile.

Giocare a recuperare

Il primo enorme ostacolo all'introduzione sul mercato di chip senza clock è la mancanza di strumenti automatizzati per accelerarne la progettazione. Vent'anni fa, una manciata di ingegneri poteva stendere su carta i circuiti di un chip. Oggi centinaia di ingegneri lavorano in team e l'unica speranza di coordinare le loro azioni è utilizzare sofisticati strumenti computerizzati. Ma i designer asincroni devono affrontare un problema di gallina e uova: se non esiste un mercato di massa per i chip asincroni, ci sono pochi incentivi a creare strumenti per costruirli; se non ci sono strumenti, non vengono prodotti chip. Lo stesso problema si applica allo sviluppo di tecnologie di test dei chip. Senza una quantità significativa di circuiti asincroni da testare, non esiste mercato per strumenti di test di terze parti.

Nel caso dei suoi chip cercapersone, Philips ha deciso che l'unico modo per uscire da questa trappola era investire nello sviluppo degli strumenti di cui aveva bisogno. Dopo 13 anni di ricerca, siamo ora vicini a un approccio di test efficace ed efficiente per i circuiti asincroni, afferma il ricercatore Philips Kees van Berkel, che ha lavorato nel team asincrono del gigante olandese dai primi anni '80. E Philips non è solo in questa ricerca. Nel tentativo di dare slancio ai chip asincroni, due scienziati informatici, Steven Nowick della Columbia University e Steve Furber dell'Università di Manchester, hanno sviluppato strumenti di progettazione che stanno regalando come shareware. Gli strumenti ora sono gli ostacoli allo spettacolo, afferma Nowick. Se non disponi di strumenti non puoi fare le cose in modi portatili e non puoi addestrare le persone a diventare esperti.

Oltre a una nuova generazione di apparecchiature di progettazione e collaudo, lo sviluppo di successo di chip clockless richiede persone che comprendano la progettazione asincrona. Tale talento è scarso, poiché i principi asincroni sono contrari al modo in cui quasi tutte le università insegnano ai propri studenti di ingegneria. I chip convenzionali possono avere valori che arrivano a un registro in modo errato e fuori sequenza; ma in un chip clockless, i valori che arrivano nei registri devono essere corretti la prima volta. Un modo per raggiungere questo obiettivo è prestare molta attenzione a dettagli come le lunghezze dei fili e il numero di porte logiche collegate a un dato registro, assicurando così che i segnali viaggino al registro nella sequenza logica corretta. Ma ciò significa essere molto più meticolosi sul design fisico di quanto i progettisti sincroni siano stati addestrati a essere.

Un'alternativa, usata da Theseus e altri, è aprire un canale di comunicazione separato sul chip. I chip con clock rappresentano uno e zero utilizzando tensioni basse e alte su un singolo filo; i circuiti dual-rail, d'altra parte, utilizzano due fili, fornendo percorsi di comunicazione del chip, non solo per inviare bit, ma anche per inviare segnali di handshake per indicare quando il lavoro è stato completato. Fant propone inoltre di sostituire il sistema convenzionale della logica digitale con quella che chiama logica a convenzione nulla, uno schema che identifica non solo sì e no, ma anche nessuna risposta, un modo conveniente per i chip clockless di riconoscere quando un'operazione non è stata ancora completata . Tutte queste idee e approcci sono così diversi che la loro esecuzione potrebbe confondere la mente di un ingegnere addestrato a progettare al ritmo di un orologio. Non sorprende che le due più recenti startup asincrone, Asynchronous Digital Devices e Self-Timed Solutions, siano popolate da studenti provenienti dal Caltech e dall'Università di Manchester, dove la ricerca sui chip senza clock è in corso da più tempo.

Affinché un chip abbia successo, tutti e tre gli elementi (strumenti di progettazione, efficienza di produzione e designer esperti) devono unirsi. Il quadro asincrono ha idee molto promettenti, afferma Max Baron, analista di microprocessori ed editore della newsletter di settore Rapporto del microprocessore . Ma non hanno la macchina vera e propria e non hanno dimostrato di sapere come costruirla.

Anche se ci vorrà molto più tempo prima che i chip clockless diventino mainstream, stiamo già vedendo anche l'inizio di quella transizione. Intel, che ha accantonato il suo progetto di chip asincroni nel 1997, ha incorporato elementi della sua tecnologia clockless nel chip Pentium 4 che ha rilasciato quest'anno. Stiamo introducendo il design asincrono dal basso verso l'alto, progettando in alcuni pezzi di logica unclocked in un chip che è ancora di design convenzionale, afferma Stevens. A questo punto, se possiamo fare qualcosa in modo asincrono, ed è migliore in termini di consumo energetico, allora lo faremo.

Allora, che dire della sgargiante rivoluzione predetta da Karl Fant? In un settore maturo come quello della produzione di chip, non è possibile sostituire la dittatura con l'anarchia da un giorno all'altro. Ma nel tempo, l'equilibrio probabilmente si sposterà verso il design senza orologio; saranno scritti abbastanza articoli, costruiti abbastanza strumenti, abbastanza ingegneri istruiti da non essere più irrealistico immaginare di commercializzare un tale chip anche al di fuori di nicchie specializzate. Una volta che le persone capiranno come farlo facilmente, diventerà più naturale pensare all'asincrono, afferma l'ingegnere Sun Normoyle. La gente non lo farà perché è interessante. Lo faremo perché è più facile di qualcos'altro. Il nostro unico obiettivo è essere migliore degli altri ragazzi. L'interruttore arriverà quando la sincronia non sarà più sufficiente.

I vincitori di questa prossima ondata di innovazione saranno le aziende che sceglieranno il momento giusto per saltare dalla curva. I chip senza clock hanno la promessa di rivoluzionare il settore, di accelerare rapidamente l'incessante spinta verso chip più veloci ed economici che ci si aspetta dalla legge di Moore. Chi può dire cosa potrebbe essere possibile? Perché non un chip completamente asincrono compatibile con i prodotti Intel?

Se qualcuno lo fa, avrà un serio vantaggio competitivo per un certo numero di anni, afferma Stevens di Intel. Traduzione? Quindi sì, siamo preoccupati.
Che l'anarchia abbia inizio.

nascondere