Кіріспе
Сағат циклдары жоқ цифрлық схема
additional information
Asynchronous circuit (clockless or self timed circuit) is a sequential digital logic circuit that does not use a global clock circuit or signal generator to synchronize its components. Instead, the components are driven by a handshaking circuit which indicates a completion of a set of instructions. Handshaking works by simple data transfer protocols. Many synchronous circuits were developed in early 1950s as part of bigger asynchronous systems (e. g. ORDVAC). Asynchronous circuits and theory surrounding is a part of several steps in integrated circuit design, a field of digital electronics engineering. Asynchronous circuits are contrasted with synchronous circuits, in which changes to the signal values in the circuit are triggered by repetitive pulses called a clock signal. Most digital devices today use synchronous circuits. However asynchronous circuits have a potential to be much faster, have a lower level of power consumption, electromagnetic interference, and better modularity in large systems. Asynchronous circuits are an active area of research in digital logic design. It was not until the 1990s when viability of the asynchronous circuits was shown by real life commercial products.
Қосымша ақпарат
additional information
Asynchronous circuit (clockless or self timed circuit) is a sequential digital logic circuit that does not use a global clock circuit or signal generator to synchronize its components. Instead, the components are driven by a handshaking circuit which indicates a completion of a set of instructions. Handshaking works by simple data transfer protocols. Many synchronous circuits were developed in early 1950s as part of bigger asynchronous systems (e. g. ORDVAC). Asynchronous circuits and theory surrounding is a part of several steps in integrated circuit design, a field of digital electronics engineering. Asynchronous circuits are contrasted with synchronous circuits, in which changes to the signal values in the circuit are triggered by repetitive pulses called a clock signal. Most digital devices today use synchronous circuits. However asynchronous circuits have a potential to be much faster, have a lower level of power consumption, electromagnetic interference, and better modularity in large systems. Asynchronous circuits are an active area of research in digital logic design. It was not until the 1990s when viability of the asynchronous circuits was shown by real life commercial products.
Асинхронды схема (сағатсыз немесе өздігінен уақытталатын схема) – құрамдастарын синхрондау үшін жаһандық сағат схемасын немесе сигнал генераторын пайдаланбайтын тізбекті цифрлық логикалық схема. Оның орнына, құрамдастар қолдаушы тізбек (handshaking circuit) арқылы басқарылады, ол нұсқаулар жиынтығының орындалғанын көрсетеді. Қолдаушы тізбек қарапайым деректерді беру протоколдары бойынша жұмыс істейді. Көптеген синхронды схемалар 1950 жылдардың басында үлкен асинхронды жүйелердің (мысалы, ORDVAC) құрамында жасалды. Асинхронды схемалар және оларға қатысты теория – интегралды схемаларды жобалаудың бірнеше кезеңдерінің бөлігі, ол цифрлық электроника инженерлігінің саласы. Асинхронды схемалар синхронды схемалармен салыстырылады, онда схемадағы сигналдардың өзгеруі сағат сигналы деп аталатын үнемі қайталаналатын импульстармен іске қосылады. Бүгінгі таңда көптеген цифрлық құрылғылар синхронды схемаларды қолданады. Дегенмен, асинхронды схемалар әлдеқайда жылдам болуы мүмкін, энергияны аз тұтынуы, электромагниттік кедергілердің деңгейі төмендеуі және үлкен жүйелерде жақсы модульдік қасиеттерге ие болуы мүмкін. Асинхронды схемалар – цифрлық логикалық жобалаудағы белсенді зерттеу саласы. Асинхронды схемалардың тиімділігі 1990 жылдарға дейін нақты коммерциялық өнімдер арқылы дәлелденбеді.
additional information
Asynchronous circuit (clockless or self timed circuit) is a sequential digital logic circuit that does not use a global clock circuit or signal generator to synchronize its components. Instead, the components are driven by a handshaking circuit which indicates a completion of a set of instructions. Handshaking works by simple data transfer protocols. Many synchronous circuits were developed in early 1950s as part of bigger asynchronous systems (e. g. ORDVAC). Asynchronous circuits and theory surrounding is a part of several steps in integrated circuit design, a field of digital electronics engineering. Asynchronous circuits are contrasted with synchronous circuits, in which changes to the signal values in the circuit are triggered by repetitive pulses called a clock signal. Most digital devices today use synchronous circuits. However asynchronous circuits have a potential to be much faster, have a lower level of power consumption, electromagnetic interference, and better modularity in large systems. Asynchronous circuits are an active area of research in digital logic design. It was not until the 1990s when viability of the asynchronous circuits was shown by real life commercial products.
Шолу
Барлық цифрлық логикалық тізбектерді комбинациялық логикаға, онда шығыс сигналдары тек қазіргі кіріс сигналдарына тәуелді, және реттік логикаға, онда шығыс қазіргі кіріске де, бұрынғы кіріске де тәуелді болады деп бөлуге болады. Басқаша айтқанда, реттік логика – жады бар комбинациялық логика. Кез келген дерлік практикалық цифрлық құрылғы реттік логиканы қажет етеді. Реттік логиканы синхрондық логика және асинхрондық логика деп екі түріне бөлуге болады.
Синхронды схемалар
Синхронды логикалық тізбектерде электронды генератор бірдей аралықтағы импульстардың қайталанатын тізбесін, яғни сағат сигналын тудырады. Сағат сигналы интегралды схеманың (ИС) барлық компоненттеріне жіберіледі. Флип-флоптар сағат импульсінің жиегімен ғана қозғалады, сондықтан тізбектегі логикалық сигналдардың өзгеруі бір уақытта және үлгілі интервалдармен басталады. Тізбектегі барлық жад элементтерінің шығысы тізбектің күйі деп аталады. Синхронды тізбектің күйі тек сағат импульсімен ғана өзгереді. Сигналдың өзгеруіне тізбектің комбинациялық логикалық қақпалары арқылы таралу үшін белгілі бір уақыт керек. Бұл уақыт таралудың кешігуі деп аталады. 2021 жылдан бастап, қазіргі заманғы синхронды ИС-тің уақытын дұрыс орнату үшін көп инженерлік еңбек пен күрделі жобалауды автоматтандыру құралдары қажет. Дизайнерлер сағат сигналының дұрыс келуін қамтамасыз етуі керек. ИС-тің (мысалы, ASIC) үнемі өсіп келе жатқан мөлшері мен күрделілігі бұл міндетті қиындатады. Бұл теория кейін Реймонд Миллердің "Көшіру теориясы" атты белгілі кітабында жарияланды. "Асинхронды логика" термині тізбек қасиеттері туралы әртүрлі болжамдарға негізделген әртүрлі дизайн стильдерін сипаттау үшін қолданылады. Олар жинақталған кешігу моделінен – ол "дәстүрлі" деректерді өңдеу элементтерін қолданады және аяқталуы жергілікті түрде жасалған кешігу моделімен көрсетіледі – кешігуге сезімсіз дизайнға дейін өзгереді, онда тізбек элементтері арқылы кез келген кешігулерге бейімделуге болады. Соңғы стиль жинақталған деректерді жүзеге асырудан үлкен тізбектерді тудырады, бірақ макетқа және параметрлік өзгерістерге сезімсіз болады және осылайша "дизайн бойынша дұрыс" болады.
Асинхронды логика
Асинхронды логика – асинхронды цифрлық жүйелерді жобалау үшін қажетті логика. Олар сағат сигналысыз жұмыс істейді, сондықтан жеке логикалық элементтердің кез келген сәтте дискретті дұрыс/жалған күйге ие болуына сенімділік болмайды. Бульдік (екі мәнді) логика мұндай жағдайға жеткіліксіз, демек, оны кеңейту қажет. 1984 жылдан бастап Вадим О. Васюкевич жаңа логикалық операцияларға негізделген тәсілді дамытты, оны ол венжункция (асинхронды оператор "x∠y" – "y фонында x-ті қосу" немесе "егер y болса, x") және секвенция (басымдық белгілері "xi≻xj" және "xi≺xj" арқылы) деп атады. Бұл элементтің қазіргі мәнін ғана емес, сонымен қатар оның тарихын да ескереді. және Там Ан Чу. Содан бері STG-лер теория және тәжірибеде жан-жақты зерттелді, бұл Petrify және Workcraft сияқты асинхронды басқару тізбектерін талдау және синтездеуге арналған танымал бағдарламалық құралдардың дамуына әкелді. Петри желілерінен кейін асинхронды тізбектерді модельдей алатын басқа да параллелизм модельдері әзірленді, олардың ішінде Актер моделі және процесс есептеулері бар.
Артықшылықтары
Асинхронды схемалардың түрлі артықшылықтары дәлелденді. Квази-кездіксіз (QDI) схемалар (әдетте, есептеу универсалдығын сақтайтын асинхронды логиканың ең "таза" түрі деп есептеледі) және жоғары өнімділік пен кішірек аумақ және қуат тұтыну үшін уақыт шектеулерін пайдаланатын асинхронды схемалардың аз таза түрлері бірнеше пайдалы қасиеттерге ие. Төрешілердің метастабильдігін сенімді және тиімді басқару. Орташа жағдайдағы өнімділік: операцияның орташа уақыты (кешігуі) синхронды схемалардағыдай, компоненттің (қақпақ, сым, блок т.б.) ең нашар жағдайдағы аяқталу уақытымен шектелмейді. Бұл жақсырақ жауап беру уақытын және өнімділікті қамтамасыз етеді. Мысалдарға синхронды схемаларға қарағанда жылдам параллель префикс қосу машиналарын жобалау үшін қолданылатын шартты аяқтау, сондай-ақ жетекші синхронды жобалардан артық өнімділік көрсететін жоғары өнімділіктегі қос дәлдікті қалқыма нүктелі қосу машинасы жатады. Ерте аяқталу: кіріс деректерін өңдеу нәтижесі болжамды немесе маңызды емес болса, шығыс уақытында жасалуы мүмкін. Өзгеше серпімділік: дерек элементтерінің өзгеретін саны кез келген уақытта құбыржол кірісіне түсуі мүмкін (құбыржол – байланысты функционалдық блоктардың тізбегі). Бұл жоғары өнімділікке көмектеседі және құбыржолдың сатыларындағы (функционалдық блоктар) кідірістерге байланысты өзгермелі кіріс және шығыс жылдамдықтарын тиімді басқарады (бірақ тоқыраулар мүмкін және кіріс-шығыс қақпаларының кідірісі де ескерілуі керек). Функционалдық блоктар арасында уақытты сәйкестендірудің қажеті жоқ. Дегенмен, әртүрлі кідіру модельдері (қақпақтардың/сымдардың кідіру уақытын болжау) асинхронды схеманы жүзеге асыру тәсіліне байланысты. Жоғары таралу кедергісі бар, уақытқа сезімтал сағат сигналын таратудың күрделігінен құтылу. Схема жылдамдығы нашар жағдайлар бойынша белгіленген жылдамдықпен шектелудің орнына температура мен кернеудің өзгеруіне бейімделеді. Сұраныс бойынша төмен қуат тұтыну; күту режимінде қуат тұтыну жоқ. 2005 жылы Epson синхронды жобалаумен салыстырғанда 70% төмен қуат тұтынуды хабарлады. Сонымен қатар, қуат тұтынуды айтарлықтай азайту үшін сағат драйверлерін жоюға болады. Алайда, кейбір кодтауларды қолданғанда асинхронды схемаларға көбірек аумақ қажет болуы мүмкін, егер негізгі процесс нашар сипаттамаға ие болса, қуатты үстеме қосу (мысалы, жоғары κ диэлектриктері енгізілгенге дейін қолданылған терең субмикрометрлік процестер). Схеманың жергілікті асинхронды функционалдық домендері арасында қуатты сәйкестендірудің қажеті жоқ. Синхронды схемалар сағат жиегінде және одан кейін бірден үлкен ток мөлшерін тартады. Ток тарту (сонымен қатар, ток мөлшері) сағат жиегінен кейін тез төмендейді және келесі сағат жиегі алдында нөлге жетеді. Асинхронды схемада түйіндердің ауысу уақыты осылай байланысты болмайды, сондықтан ток тарту біркелкі және аздап импульстік болады. Өндіріс процесіндегі транзистордың өзгеруіне (жартылай өткізгіш өнеркәсібі үшін ең маңызды мәселелердің бірі), кернеумен жабдықтаудың, температураның және өндіріс процесінің параметрлерінің өзгеруіне төзімділік. Электромагниттік кедергілердің (EMI) азаюы. Синхронды схемалар олардың сағат жиілігінде және оның гармоникаларында жиілік диапазонында көп мөлшерде EMI жасайды; асинхронды схемалар спектр бойынша біркелкі таралған EMI үлгілерін жасайды. Жобаның модулділігі (қайта пайдалану), шуға қарсы тұру қабілетінің және электромагниттік үйлесімділіктің жақсаруы. Асинхронды схемалар процестердің өзгеруіне және сыртқы кернеудің ауытқуына төзімдірек.
Кемшіліктер
Қосымша логиканың қол алысуды іске асырудан туындаған аумақтық шығындары. Кейбір жағдайларда асинхронды жобалау, синхронды жобалаудың ресурстарын (аумақты, тізбек жылдамдығын, қуат тұтынуын) толық екі есеге дейін қажет етуі мүмкін, себебі аяқталуды анықтау және сынақ схемаларын жобалау қосылады. 1990-жылдар мен 2000-жылдардың басында синхронды жобалаумен салыстырғанда, асинхронды тізбектерді жобалауға оқытылған немесе тәжірибелі адамдар көп емес. Дегенмен, Фант бұл пікірмен келіспейді, синхронды логиканың көрінетін қарапайымдығы – бұл кең таралған жобалау тәсілдерінде қолданылатын математикалық модельдердің нәтижесі екенін айтады. Асинхронды жобалауға арналған, арнайы коммерциялық EDA құралдарының жетіспеуі. Сағатсыз процессор жасау (асинхронды тізбекті жобалау) сағатсыз логиканы өңдеу үшін жобалау құралдарын өзгертуді және жобадағы тұрақсыздық мәселелерін болдырмау үшін қосымша сынақтар жүргізуді талап етеді. Мысалы, AMULET-ті жасаған топ AMULET3-тің күрделі жобасын шешу үшін LARD деп аталатын құралды жасады.
IBM
2014 жылы IBM компаниясы SyNAPSE әзірлеген, асинхронды режимде жұмыс істейтін және ең көп транзистор санына ие чиптердің бірі туралы хабарлады. IBM-нің чипі, үлгілерді тану сынақтарында дәстүрлі есептеу жүйелерінен әлдеқайда аз қуатты қолданады.