Es hora de chips sin reloj

¡Estamos reemplazando la dictadura por la anarquía! Karl Fant me dice enfáticamente. Con cola de caballo y animado, el fundador y director técnico de Theseus Logic llena la pizarra con amplios ejemplos ilustrativos, arrodillándose para aprovechar todo el espacio disponible para escribir. Está en calcetines. Eventualmente, cada chip se diseñará de esta manera, declara. ¡Es inevitable!



Incluso en Silicon Valley, donde se sabe que los fundadores de empresas se complacen en sus tendencias inconformistas, la oficina de Fant en Sunnyvale, California, es una sorpresa. Su escritorio bajo está cubierto por una masa informe de memorandos y transcripciones y otros materiales de papel, todos formando un leve montículo hacia el centro. No hay sillas, solo almohadas esparcidas ingeniosamente por el suelo. Si resulta que eres yo, empiezas a arrepentirte de llevar un vestido y te preguntas dónde exactamente debes sentarte. Pero no: Fant te lleva a una sala de conferencias convencional al lado, donde, afortunadamente, hay una silla. Ahí es donde comienza a evangelizar sobre la revolución que se avecina destinada a arrebatar los chips de computadora a las limitaciones del pasado.

¿Cómo? Tirando el reloj, la forma fundamental en que los chips, desde los albores de la era de la informática, han organizado y ejecutado su trabajo. Incluso aquellos de nosotros que no sabemos nada sobre microprocesadores sabemos algo sobre sus relojes: Intel durante años ha utilizado la velocidad del reloj de sus microprocesadores como herramienta de marketing, donde más rápido es mejor. El número que domina la mayoría de los anuncios informáticos, junto con el precio, es una etiqueta como 1,3 GHz (o gigahercios). Esa cifra se refiere a la velocidad del reloj que gobierna el funcionamiento interno del microprocesador de la máquina. Dentro de cada microprocesador de un gigahercio, por ejemplo, hay un cristal oscilante que hace tictac mil millones de veces por segundo. Los ingenieros están capacitados para diseñar chips donde su primera consideración es hacer el trabajo antes de que llegue el siguiente tic-tac. Un chip sin reloj sería tan útil como una página de texto sin ningún espacio entre las letras. Para la mayoría de los diseñadores de chips, deshacerse del reloj es difícil de imaginar.





Pero no para Fant o sus compañeros iconoclastas que trabajan en chips sin reloj en empresas emergentes, universidades y laboratorios corporativos. Es un pequeño grupo de fervientes creyentes. Su conferencia anual atrae solo a unos pocos cientos de participantes. Los líderes en el campo se conocen bien y se memorizan los números de teléfono celular de los demás. Pero aunque sus métodos y mercados difieren, están unidos en su creencia de que los chips cronometrados han seguido su curso y están convencidos de que las ventajas de su enfoque inconformista, conocido alternativamente como diseño asincrónico o circuitos temporizados, son tan grandes que el chip En última instancia, la industria no tendrá más remedio que abrazarlo.

Los diseñadores se están dando cuenta de que distribuir un reloj en sistemas cada vez más complicados se está volviendo cada vez más difícil, y que tarde o temprano no funcionará, dice Alain Martin, profesor de informática en Caltech, quien construyó el primer microprocesador sin reloj en 1989 Señala que a medida que los chips se vuelven más complejos, más y más potencia que se necesita para hacerlos funcionar es consumida por el reloj mismo, que ahora necesita coordinar el trabajo de millones de transistores.

Prescindir de esta sobrecarga confiere grandes ventajas a los chips asíncronos. Uno es la eficiencia eléctrica enormemente mejorada, que conduce directamente a una vida útil prolongada de la batería. La tecnología sin reloj también ofrece una ventaja en la velocidad de la computación. En los laboratorios de Sun Microsystems, Intel e IBM, los chips sin reloj han aumentado el ritmo al que los procesadores de gama alta hacen su trabajo. En 1997, Intel desarrolló un chip de prueba asincrónico compatible con Pentium que funcionaba tres veces más rápido, con la mitad de potencia, que su equivalente sincrónico.



En Theseus, Fant se ha centrado en otro beneficio más del diseño asincrónico. Debido a que estos chips no emiten una señal temporizada regularmente, como lo hacen los circuitos sincronizados, pueden realizar el cifrado de una manera que es más difícil de identificar y descifrar. El cifrado mejorado hace que los circuitos asíncronos sean una opción obvia para las tarjetas inteligentes: las tarjetas de plástico con chip comienzan a usarse para aplicaciones sensibles a la seguridad como el almacenamiento de registros médicos, el intercambio electrónico de fondos e identificación personal.

¿Tienen razón Fant, Martin y otros campeones sin reloj? Francamente, sí. Y, sin embargo, a pesar de las claras ventajas de la tecnología, los chips sin reloj siguen siendo más una teoría que una práctica. El dispositivo Intel, por ejemplo, nunca salió del laboratorio. El hecho de que los chips sin reloj no ganen terreno, de hecho, los convierte en un caso de estudio perfecto de un desarrollo con una promesa abrumadora que, sin embargo, enfrenta enormes obstáculos para la introducción en el mercado, incluso en una industria conocida por su innovación continua y rápida.

El camino no tomado

Los fundadores de la tecnología informática moderna contemplaron el diseño asincrónico ya en 1946. Pero estos primeros ingenieros informáticos optaron por utilizar un reloj. En ese momento, fue la elección correcta, dice Jo Ebergen, un ingeniero senior de Sun que trabaja en un grupo de investigación asincrónico encabezado por el compañero de Sun y vicepresidente Ivan Sutherland. (En 1989, Sutherland, mejor conocido como pionero en gráficos por computadora, escribió un artículo que casi sin ayuda reavivó el interés en la tecnología de chips sin reloj). Las circunstancias en las que tuvieron que diseñar, utilizando tubos de vacío y circuitos de relés, significaron que Realmente no podrían construir una computadora confiable sin un reloj que lo gobierne todo, agrega. Mediante el uso de un reloj, los ingenieros podían incorporar medidas a prueba de fallas que hicieran que las computadoras fueran confiables incluso cuando las partes con las que estaban hechas no lo eran.



De esa primera elección surgió el efecto aplastador de la Ley de Moore, en el que casi toda la investigación, el desarrollo y la producción en la industria de los semiconductores se ha centrado en chips sincronizados. En la década de 1960, la noción de chips sin reloj casi había desaparecido, mantenida viva solo por uno o dos artículos esotéricos que salían de las universidades. En las fichas de hoy, por lo tanto, el reloj sigue siendo la parte clave de la acción. A medida que un microprocesador realiza una operación determinada, las señales electrónicas viajan a lo largo de tiras microscópicas de metal, se bifurcan, se cruzan nuevamente y se encuentran con puertas lógicas, hasta que finalmente depositan los resultados del cálculo en un banco de memoria temporal llamado registro. Digamos que quieres multiplicar 4 por 6. Si pudieras ralentizar el chip y echar un vistazo al registro mientras se completaba este cálculo, es posible que veas que el valor cambia muchas veces, digamos, de 4 a 12 a 8, antes de finalmente asentarse. abajo en la respuesta correcta. Eso se debe a que las señales transmitidas para realizar la operación viajan por muchos caminos diferentes antes de llegar al registro; solo después de que todas las señales hayan completado su recorrido, se asegurará el valor correcto. La función del reloj es garantizar que la respuesta esté lista en un momento determinado. El chip está diseñado para que incluso la ruta más lenta a través del circuito (la ruta con los cables más largos y la mayoría de las puertas) llegue al registro en un solo tic del reloj.

Con un reloj central que gobierna la acción, los ingenieros no tienen que preocuparse por las longitudes variables de millones de cables infinitesimalmente pequeños; las señales pueden llegar a la caja registradora en cualquier orden, siempre y cuando todas se asienten antes de que marche el siguiente reloj. Equipos de cientos de ingenieros pueden coordinar su trabajo en torno al principio unificador del reloj. Y todos nos beneficiamos: la disciplina del diseño basado en relojes ha permitido que la magia del crecimiento exponencial en el rendimiento del chip perdure durante más de 30 años. El reloj tiene que pasar como una de las ideas más brillantes en diseño, dice Kevin Normoyle, un ingeniero distinguido de Sun que trabaja en el diseño de los microprocesadores Sparc de Sun. Es muy simple y, sin embargo, es un enfoque que se ha ampliado y ahora funciona para millones de transistores.

Pero después de cierto punto, aumentar la velocidad del reloj se convierte en un ejercicio de rendimientos decrecientes. Es por eso que un chip de un gigahercio no funciona dos veces más rápido que un chip de 500 megahercios. El reloj, a través del trabajo que debe realizar para coordinar millones de transistores en un chip, genera su propia sobrecarga. Cuanto más rápido sea el reloj, mayor será la sobrecarga. El reloj en un microprocesador de última generación puede consumir hasta un 30 por ciento de la capacidad informática del chip, y ese porcentaje aumenta a un ritmo cada vez más rápido a medida que aumentan las velocidades del reloj. Es como si una fábrica estuviera invadida por supervisores con cronómetros que mejoraron la eficiencia pero también ocuparon cada vez más espacio ocupado por trabajadores y máquinas.

Los chips sincronizados también se están convirtiendo en grandes consumidores de energía: el trabajo de coordinar decenas de millones de transistores a mil millones de tics por segundo requiere el consumo de mucha energía, la mayoría de la cual termina en calor. Patrick Gelsinger, director de tecnología de Intel, se refirió al problema en su discurso de apertura en la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido en febrero pasado. Gelsinger estaba bromeando a medias cuando dijo que si los microprocesadores continúan funcionando con relojes cada vez más rápidos, para 2005 un chip funcionará tan caliente como un reactor nuclear.

Sin embargo, quizás el problema más apremiante con los microprocesadores convencionales es que solo se puede acelerar un poco el reloj del chip antes de chocar con algunas realidades físicas inconvenientes. En los chips de un gigahercio de hoy en día, los pulsos electrónicos que significan unos binarios y ceros apenas pueden atravesar el chip en un solo latido del reloj. Pero en los chips de dos gigahercios que se espera que lleguen en los próximos años, eso ya no será cierto. El papel que juega el reloj ahora, sincronizando todo el trabajo en un chip, comenzará a fallar.

Sin reloj al rescate

Al tirar el reloj, los fabricantes de chips podrán escapar de este aprieto. Los chips sin reloj consumen energía solo cuando hay trabajo útil por hacer, lo que permite un gran ahorro en dispositivos que funcionan con baterías; un buscapersonas basado en chip asíncrono comercializado por Philips Electronics, por ejemplo, funciona casi el doble que
productos de la competencia, que utilizan chips de reloj convencionales.

Como un equipo de caballos que sólo puede correr tan rápido como su miembro más lento, un chip cronometrado no puede correr más rápido que su lógica más perezosa; la respuesta no está garantizada hasta que cada parte completa su trabajo. Por el contrario, los transistores de un chip asíncrono pueden intercambiar información de forma independiente, sin necesidad de esperar a todo lo demás. ¿El resultado? En lugar de que todo el chip funcione a la velocidad de sus componentes más lentos, puede funcionar a la velocidad promedio de todos los componentes. Tanto en Intel como en Sun, este enfoque ha llevado a prototipos de chips que funcionan de dos a tres veces más rápido que los productos comparables que utilizan circuitos convencionales.

Mírelo de esta manera, dice Ebergen de Intel. Me das una carpeta, yo trabajo en ella, te la devuelvo y el hecho de que te la devuelva indica que he terminado. No tenemos que comunicarnos cada cinco segundos. Podríamos hacer el trabajo mucho más rápido si acordamos entre los dos cuándo comenzar y cuándo hacer las cosas y no preocuparnos por sincronizar nuestro trabajo en cada paso del camino.

distancia de la tierra a proxima centauri

Otra ventaja de los chips sin reloj es que emiten niveles muy bajos de ruido electromagnético. Cuanto más rápido sea el reloj, más difícil será evitar que un dispositivo interfiera con otros dispositivos; prescindir del reloj prácticamente elimina este problema. La combinación de bajo nivel de ruido y bajo consumo de energía hace que los chips asíncronos sean una opción natural para los dispositivos móviles. La fruta madura para los chips sin reloj estará en los dispositivos de comunicación, comenzando con los teléfonos celulares, dice Yobie Benjamin, estratega de tecnología de la firma consultora Ernst and Young. Benjamin está tan convencido de la promesa de la tecnología que ha invertido personalmente en Asynchronous Digital Design, una startup sin reloj de Caltech.

Otras dos empresas nuevas, Theseus y Self-Timed Solutions, con sede en Manchester, Inglaterra, se están centrando en chips sin reloj para tarjetas inteligentes. Fant sostiene que un problema clave para retener las tarjetas inteligentes es que los chips convencionales facilitan el descifrado de los códigos de seguridad del chip al observar las señales. El reloj es como una gran señal que dice: 'Está bien, mira ahora', dice Fant. Es como buscar a alguien en una banda de música. Asincrónico es más como una multitud en movimiento. No hay una señal clara para mirar. Los piratas informáticos potenciales no saben por dónde empezar.

La velocidad, la eficiencia energética y el sigilo suenan como objetivos importantes para cualquier chip, no solo para los que se utilizan en unas pocas aplicaciones de nicho. Pero si bien Sun, IBM e Intel tienen pequeños grupos de investigación que trabajan en diseños asincrónicos para aplicaciones especializadas, ni ellos ni nadie más ha anunciado el trabajo en un microprocesador sin reloj de propósito general. Esto parece un descuido extraño. Una industria que considera que la mejora de la velocidad del procesador es un objetivo casi sagrado ha abandonado una de las vías más prometedoras para hacer que los chips vayan más rápido. Solo tienes que preguntar por qué.

¿Por qué, por ejemplo, Intel desechó su chip asincrónico? La respuesta es que, aunque el chip funcionaba tres veces más rápido y usaba la mitad de la energía eléctrica que sus contrapartes sincronizadas, eso no fue una mejora suficiente para justificar un cambio a una tecnología radical. Un chip asíncrono en el laboratorio podría estar años por delante de cualquier diseño síncrono, pero los sistemas de diseño, prueba y fabricación que respaldan la producción de microprocesadores convencionales todavía tienen una ventaja de 20 años en todo lo que admita la producción asíncrona. Cualquiera que planee desarrollar un chip sin reloj deberá encontrar una manera de cortocircuitar ese cable.
Si obtiene tres veces más potencia con un diseño asincrónico, pero se tarda cinco veces más en llegar al mercado, bueno, pierde, dice el científico senior de Intel Ken Stevens, quien trabajó en el proyecto asincrónico de 1997. No es suficiente ser un visionario o decir lo grandiosa que es esta tecnología. Todo depende de si puede hacerlo lo suficientemente rápido y lo suficientemente barato, y si puede seguir haciéndolo año tras año.

El chip asíncrono de Philips ha dado a los buscapersonas de la empresa la capacidad de durar casi el doble, con la misma energía de la batería, que las alternativas sincronizadas. Pero su debut en 1998 siguió a una década de investigación dedicada. Los investigadores asincrónicos desde el principio entendieron que su tarea no era solo construir otro chip, sino construir una forma de diseñar, probar y fabricar ese chip. Y eso no fue fácil.

Jugando a ponerse al día

La primera gran barrera para llevar al mercado chips sin reloj es la falta de herramientas automatizadas para acelerar su diseño. Hace veinte años, un puñado de ingenieros podía diseñar los circuitos de un chip en papel. Hoy en día, cientos de ingenieros trabajan en equipo y la única esperanza de coordinar sus acciones es utilizar herramientas sofisticadas asistidas por computadora. Pero los diseñadores asincrónicos se enfrentan al problema del huevo y la gallina: si no hay un mercado masivo de chips asincrónicos, hay pocos incentivos para crear herramientas para construirlos; si no hay herramientas, no se producen virutas. El mismo problema se aplica al desarrollo de tecnologías de prueba de chips. Sin una cantidad significativa de circuitos asíncronos para probar, no hay mercado para herramientas de prueba de terceros.

En el caso de sus chips de buscapersonas, Philips decidió que la única forma de salir de esta trampa era invertir en el desarrollo de las herramientas que necesitaba. Después de 13 años de investigación, ahora estamos cerca de un enfoque de prueba eficaz y eficiente para circuitos asincrónicos, dice el investigador de Philips Kees van Berkel, quien ha trabajado en el equipo asincrónico del gigante holandés desde principios de la década de 1980. Y Philips no está solo en esta búsqueda. En un esfuerzo por generar impulso para los chips asincrónicos, dos científicos informáticos, Steven Nowick de la Universidad de Columbia y Steve Furber de la Universidad de Manchester, han desarrollado herramientas de diseño que están regalando como shareware. Las herramientas son ahora los tapones del espectáculo, dice Nowick. Si no tiene herramientas, no puede hacer las cosas de forma portátil y no puede capacitar a las personas para que se conviertan en expertos.

Más allá de una nueva generación de equipos de diseño y prueba, el desarrollo exitoso de chips sin reloj requiere personas que comprendan el diseño asincrónico. Ese talento es escaso, ya que los principios asincrónicos se oponen a la forma en que casi todas las universidades enseñan a sus estudiantes de ingeniería. Los chips convencionales pueden tener valores que lleguen a un registro incorrectamente y fuera de secuencia; pero en un chip sin reloj, los valores que llegan a los registros deben ser correctos la primera vez. Una forma de lograr este objetivo es prestar mucha atención a detalles tales como la longitud de los cables y el número de puertas lógicas conectadas a un registro dado, asegurando así que las señales viajen al registro en la secuencia lógica adecuada. Pero eso significa ser mucho más meticuloso con el diseño físico de lo que los diseñadores sincrónicos han sido entrenados para ser.

Una alternativa, utilizada por Theseus y otros, es abrir un canal de comunicación separado en el chip. Los chips sincronizados representan unos y ceros utilizando voltajes altos y bajos en un solo cable; Los circuitos de doble carril, por otro lado, usan dos cables, lo que le da al chip vías de comunicación, no solo para enviar bits, sino también para enviar señales de protocolo de enlace para indicar cuándo se ha completado el trabajo. Además, Fant propone reemplazar el sistema convencional de lógica digital con lo que él llama lógica de convención nula, un esquema que identifica no solo sí y no, sino también ninguna respuesta todavía, una forma conveniente para que los chips sin reloj reconozcan cuando una operación aún no se ha completado. . Todas estas ideas y enfoques son lo suficientemente diferentes como para que su ejecución pueda confundir a un ingeniero capacitado para diseñar al ritmo de un reloj. No es de extrañar que las dos nuevas empresas asincrónicas, Dispositivos digitales asincrónicos y Soluciones automáticas, estén pobladas por estudiantes que provienen de Caltech y la Universidad de Manchester, donde la investigación de chips sin reloj se ha llevado a cabo durante más tiempo.

Para que un chip tenga éxito, los tres elementos (herramientas de diseño, eficiencia de fabricación y diseñadores experimentados) deben unirse. El cuadro asincrónico tiene ideas muy prometedoras, dice Max Baron, analista de microprocesadores y editor del boletín de la industria. Informe del microprocesador . Pero no tienen la máquina real y no han demostrado que sepan cómo construirla.

Aunque los chips sin reloj tardarán mucho más en generalizarse, también estamos viendo los comienzos de esa transición. Intel, que archivó su proyecto de chips asíncronos en 1997, incorporó elementos de su tecnología sin reloj en el chip Pentium 4 que lanzó este año. Estamos introduciendo el diseño asincrónico de abajo hacia arriba, diseñando algunas piezas de lógica desbloqueada en un chip que todavía es de diseño convencional, dice Stevens. En este punto, si podemos hacer algo de forma asincrónica y es mejor en términos de consumo de energía, lo haremos.

Entonces, ¿qué hay de la revolucionaria predicción de Karl Fant? En una industria tan madura como la fabricación de chips, no se puede reemplazar la dictadura por la anarquía de la noche a la mañana. Pero con el tiempo, el equilibrio probablemente cambiará hacia el diseño sin reloj; Se escribirán suficientes artículos, se construirán suficientes herramientas, se educará a suficientes ingenieros para que ya no sea poco realista imaginar la comercialización de un chip de este tipo incluso fuera de los nichos especializados. Una vez que la gente entienda cómo hacer esto fácilmente, será más natural pensar en lo asincrónico, dice el ingeniero de Sun Normoyle. La gente no lo hará porque sea interesante. Lo haremos porque es más fácil que otra cosa. Nuestro único objetivo es ser mejores que los demás. El cambio vendrá cuando la sincronización ya no sea lo suficientemente buena.

Los ganadores de esta próxima ola de innovación serán las empresas que elijan el momento adecuado para salirse de la curva. Los chips sin reloj tienen la promesa de revolucionar la industria, de acelerar rápidamente el impulso implacable hacia chips más rápidos y más baratos que esperamos de la Ley de Moore. ¿Quién puede decir lo que podría ser posible? ¿Por qué no un chip totalmente asíncrono compatible con los productos Intel?

Si alguien hace eso, tendrá una ventaja competitiva importante durante varios años, dice Stevens de Intel. ¿Traducción? Así que sí, estamos preocupados.
Que comience la anarquía.

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