异步集成电路设计方法综述

异步电路相对同步电路而言具有无时钟偏斜、模块化程度高、功耗低、电磁兼容性强等优势,越来越受到人们的广泛关注.异步电路设计方法是异步电路研究中的一个重点,文中将异步电路设计方法的发展历程划分为3个阶段,并着重对第3个阶段的设计方法进行了综述.根据设计方法的描述方式和设计粒度,首先将第3阶段进一步划分为语法驱动转换的设计方法、同步-异步转换的设计方法和基于定制的细粒度高性能异步流水线设计方法3类;然后从设计方法的理论基础、电路模型、设计自动化程度、电路性能等多个角度进行介绍并比较.最后对异步电路设计方法未来的发展趋势进行了展望.     

使用同步电路综合工具优化异步电路

现可用的同步电路综合工具对捆绑数据类异步电路直接映射的方法不能有效地约束时序,分模块综合的方法不能进行全局优化,其中以标准单元组成C单元降低了电路性能、增加了电路面积．通过将4相位捆绑数据寄存器流水线数据通道等效为一个同步流水线,可以自顶向下地进行有时序约束的综合,采用全定制C单元,并把其当作组合逻辑门进行分析,综合出的电路更加优化．使用此方法实现的一个数据流AES芯片的数据通道的面积延时积是直接映射方法的88％左右,实际芯片的整体性能优于一个由Balsa实现的AES芯片。     

AFMC:一种新的异步电路设计自动化流程

随着VLSI面临的功耗及时钟问题越来越突出,异步电路及其设计方法得到了广泛关注.基于宏单元的异步电路设计流程能够采用现有的同步EDA工具和设计流程将同步电路转变成相应的异步电路.在基于宏单元的异步电路设计流程的基础上提出了一种新的异步电路设计自动化流程,并与解同步异步电路设计自动化流程进行了比较.在UMC 0.18μm工艺下采用提出的自动化流程设计实现了一款DLX异步微处理器,实验结果表明该流程能够快速地进行异步电路设计,并且在异步电路的数据通路性能优化方面具有一定的优势.相对于解同步DLX微处理器,采用基于宏单元的异步设计自动化流程实现的异步DLX微处理器能够获得6%左右的性能提高.     

基于排队网络的异步非线性流水线性能分析

异步电路设计方法是现在集成电路研究的热点,得到越来越多的研究人员的关注。在异步电路设计过程中对异步流水线进行性能分析对异步电路的设计过程有着重要的指导意义,但现阶段缺乏有效的方法对异步流水线(尤其是复杂的非线性流水线)进行性能分析。而排队网络是一种能直观地对异步流水线进行建模的数学工具,但排队网络(尤其是复杂的非线性排队网络)的分析求解十分困难。本文提出了一种采用带Fork和Join的阻塞排队网络对异步流水线进行建模,采用其排队网络模型的平均周期作为异步电路的性能评价指标,并通过将其转化为等价的随机标记图对其平均周期进行分析,并给出了其平均周期的上限和下限。     

基于异步电路技术改进三模冗余结构

在借鉴异步电路技术的基础上,对传统三模冗余(TMR)结构进行了改进,提出了基于异步C单元的双模冗余(DMR)结构和基于DCTREG的时空三模冗余(TSTMR-D)结构. DMR结构每位只需两个冗余单元,并采用异步C单元对冗余单元的输出进行同步. TSTMR-D结构采用解同步电路中显式分离主从锁存器的结构,可以广泛用于各种流水线.在SMIC 0.35μm工艺下分别以DMR,TMR和TSTMR-D结构实现了3个容错8051内核.错误注入实验结果表明,与TMR结构相比,DMR结构可以减小芯片面积,提高芯片性能,同时具有容时序逻辑SEU的特性. TSTMR-D结构在恰当的面积和延迟开销下,可以对各种类型的电路结构进行全面的SEU和SET防护.     

基于去同步技术的异步8051设计与实现

随着半导体工艺的发展,同步电路面临的时钟偏差、功耗等问题日益突出,异步设计方法得到广泛研究和关注。去同步技术可以方便地实现从同步向异步的转化,成为很有前途的异步电路设计方法。基于去同步技术设计实现了一款异步8051微控制器,着重介绍了基于去同步技术的设计流程与异步控制器设计方法。分析表明,在相同的电压、温度条件下,该异步8051性能与同步8051相当,而功耗约为1/2。     

一种用于异步流水线环性能分析的排队网络近似分析算法

异步电路的性能评测一直是异步电路设计技术研究的难点所在。本文提出了异步流水线环的一种排队网络近似分析算法。首先将异步流水线环建模为闭合阻塞排队网络,再使用近似分析算法分析阻塞排队网络的性能,包括吞吐率、响应时间等,进而得到异步流水线的吞吐率、周期时间和延迟等性能参数。通过将本文算法的计算结果和数值计算得到
的精确结果进行比较,证明了该算法的正确性和有效性。     

一种32位异步嵌入式微处理器原型

异步集成电路设计技术很好地解决了深亚微米工艺条件下同步集成电路设计技术面临的问题。文中在对一系列关键技术进行研究的基础上,设计并实现了一款32位异步嵌入式微处理器原型。在基于宏单元异步集成电路设计流程的基础上,结合解同步技术,提出了异步嵌入式微处理器原型的设计流程。研究了如何实现异步嵌入式微处理器的精确异常、相关检测、同步异步接口和本地握手电路等。最后给出了原型的实现和初步的性能评测结果。     

异步电路的计算机辅助设计软件

异步电路由于没有时钟频率的限制,所以较同步电路有很多优点,其研究也越来越广泛,是未来解决计算机CPU设计的一种重要方案。异步电路的计算机辅助设计软件代表了异步电路当前研究的前沿,通过研究这些软件可以对异步电路的模型有更为深入的认识。论文整理列举了有关异步电路的63种软件工具,并将其分为设计、仿真、相关设计工具、前端设计、综合和验证6个方面。最后,在这些软件中选取两种设计软件对一个简单的例子进行了设计实现,以体现异步电路的设计特点。     

一种低功耗异步乘法器的研究与实现

同步电路由全局时钟信号周期性地驱动计算,而异步电路只在需要的时候才进行运算,因此异步电路具有天然的低功耗优势。当前的解同步异步电路设计方法仅根据同步电路的物理拓扑结构进行异步设计,而没有考虑同步电路的本身功能行为及所处理数据的特点。本文首先分析了物理拓扑结构、电路功能行为及处理数据对低功耗设计的影响,然后设计实现了一款低功耗异步乘法器。实验表明,实现的乘法器相对于传统解同步异步乘法器具有更低的功耗与更高的性能。