更高性能/更低功耗的異步DSP核心設計

目前，處理器性能的主要衡量指標是時鐘頻率。絕大多數的集成電路 (IC) 設計都基于同步架構，而同步架構都采用全球一致的時鐘。這種架構非常普及，許多人認為它也是數字電路設計的唯一途徑。然而，有一種截然不同的設計技術即將走上前臺：異步設計。

這一新技術的主要推動力來自硅技術的發(fā)展狀況。隨著硅產品的結構縮小到 90 納米以內，降低功耗就已成為首要事務。異步設計具有功耗低、電路更可靠等優(yōu)點，被看作是滿足這一需要的途徑。

異步技術由于諸多原因曾經備受冷落，其中最重要的是缺乏標準化的工具流。IC 設計團隊面臨著巨大的壓力，包括快速地交付設備，使用高級編程語言和標準的事件驅動架構 (EDA) 工具，幫助實施合成、定時和驗證等任務。如果異步設計可以使用此類工具，那么可以預計將會出現(xiàn)更多采用異步邏輯組件的設備。

在過去，小型異步電路僅用作同步電路的補充。僅僅在最近，新發(fā)布的商用設備才主要基于異步設計。但是此類設備主要針對小眾市場，如要求超低功耗和穩(wěn)定電流的嵌入式感應器。

我們正在見證一款完全基于異步邏輯的通用數字信號處理器(DSP)核心橫空出世。無論是 IC 設計人員還是最終用戶，它帶來的好處數不勝數。

同步與異步

目前的數字設計事實上采用的是同步設計技術。由于歷史原因，這種方法得到了改良，設計工具也不斷演化。目前有一種標準流以高級語言為基礎，可實現(xiàn)快速開發(fā)。同步設計還可以輕松地擴展設備性能。設計人員只須提高時鐘頻率，就能使設計變得更快。

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(FSM)驅動。觸發(fā)器被用于存儲當前狀態(tài)。當接收到時鐘信號時，觸發(fā)器將更新所存儲的值。

在 DSP 的設計過程中，邏輯階段必不可少。這些階段實施操作并將結果傳遞到下一階段。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

Clock signal 時鐘信號

對于異步 DSP 核心，邏輯階段被調整以消除時鐘。下圖顯示了這種DSP 架構的基本構造。不是由時鐘控制門閂線路，而實際上是傳遞了一個完成信號給下一邏輯階段。根據邏輯云所執(zhí)行的操作，在恰當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，它就可以相應地改變電壓、處理速度和溫度。

Delay control 延時控制

Logic 邏輯

異步設計有許多種不同的途徑，而前提是電路不受單一時鐘控制。多數情況下，異步邏輯被用于通過專門的電路設計來解決具體問題。但是，異步邏輯也可用作完整 DSP核心的基礎，而不僅僅是設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。

異步設計的好處

采用異步設計的理由非常吸引人。在正確使用中，這種方法可以實現(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。事實上，這種異步核心的能效數量級高于最好的同步DSP。

隨著硅產品尺寸的縮小，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，數字設計人員已經成功地解決了這個問題;但由于電壓閾值的限制，目前的半導體技術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，時鐘需要進行多次切換，從而造成功耗。在設備或者設備的分區(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，電路中的所有點必須同時接受時鐘變換。時鐘分配通常被稱為時鐘樹(Clock Tree)，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)有多種技術消除切換邏輯的能耗，如時鐘門控。迄今為止，這些技術都無法實現(xiàn)異步設計的更低功耗。

時鐘門控對于異步電路來說并非必備。實際上，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所提供的性能相應地增加。這意味著，不需要更多調整，這種設備就擁有低待機電流，其功耗也將隨實際提供的性能而增加。

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

全球或當地時鐘是影響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行切換，因此同步設備所發(fā)出的 EMI 在特定頻率時將擁有相當明顯的峰值。

高速設備所發(fā)出的 EMI 噪音將進入 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也使得電源的設計更加復雜。對于高速運轉的同步電路，電源必須經過過濾或過量儲備，以符合電源層上所產生的電壓尖脈沖。

這些噪音和電源問題加在一起，增加了設計人員的設計難度，尤其在特定設計中使用大量高速 DSP 時。通過消除對于全球同步時鐘的需要，異步邏輯設計可以減輕或解決這些問題。可以顯著地降低 EMI，使 PCB 設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，測量了高性能DSP在電源層上產生的噪音。

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