Een toekomst zonder klok: asynchrone chips

Op de site van Scientific American is een artikel verschenen waarin wordt uitgelegd wat asynchrone computers zijn, wat de voordelen ervan zijn en hoe ver men met de ontwikkeling ervan is. Hieronder volgt een korte samenvatting van het artikel, wat hier in zijn geheel te lezen valt.

Nu de timing van de klok binnen de synchrone computers steeds complexer begint te worden, keert men weer terug naar het idee van asynchrone computers: computers waar onderdelen op eigen snelheid hun taken uitvoeren. Dit in tegenstelling tot de huidige situatie, waar elke actie binnen de computer gelijk moet lopen met de processor. Een goed voorbeeld om het verschil aan te geven tussen asynchrone en synchrone computers is het onderstaande plaatje, waar een rij mensen een emmer aan elkaar doorgeeft.

Bij een synchrone computer wordt de emmer op de maat van de klok doorgegeven, dus bij elke tik gaat de emmer een stap vooruit. Het ritme bij een asynchrone computer is helemaal niet geordend, in plaats daarvan wordt hier de emmer doorgegeven zodra bij de ontvanger de handen leeg zijn. Dit houdt dus in dat als de ontvanger een zware emmer moet doorgeven, dit langer duurt dan bij een lichte emmer. Hierdoor loopt het proces weliswaar vertraging op, maar omdat er in verhouding weinig zware emmers worden doorgegeven, zal een asynchrone rij over het algemeen sneller zijn dan een synchrone rij.

Enkele voordelen van asynchrone computers zijn onder andere een verhoogde snelheid, een lager stroomverbruik en dat er nauwelijks nog radio-interferentie meer waar te nemen valt. Verder kan met behulp van deze techniek flexibeler worden ontworpen, doordat er meer vrijheid is bij het kiezen van systeemonderdelen. Ook kan men gemakkelijker afzonderlijk onderdelen vervangen, om winst te boeken op de snelheid van het totale systeem. Maar om dit bereiken zijn wel twee cruciale coördinatie circuits benodigd, de Rendezvous en de Arbiter:

A Rendezvous element indicates when the last of two or more signals has arrived at a particular stage. Asynchronous systems use these elements to wait until all the concurrent actions finish before starting the next action. For instance, an arithmetic division circuit must have both the dividend (say, 16) and the divisor (say, 2) before it can divide one by the other (to reach the answer 8).

[...]An Arbiter is like a traffic officer at an intersection who decides which car may pass through next. Given only one request, an Arbiter promptly permits the corresponding action, delaying any second request until the first action is completed. When an Arbiter gets two requests at once, it must decide which request to grant first. For example, when two processors request access to a shared memory at approximately the same time, the Arbiter puts the requests into a sequence, granting access to only one processor at a time. The Arbiter guarantees that there are never two actions under way at once, just as the traffic officer prevents accidents by ensuring that there are never two cars passing through the intersection on a collision course.

De auteurs van dit artikel hebben zich vooral geconcentreerd op de prestaties van hun collega's bij Sun, omdat zij daar ook werkzaam zijn. Maar dat is niet het enige bedrijf dat successen boekt op het gebied van asynchrone circuits, zo zijn er demonstraties geweest waar onder andere Caltech en Philips getoond hebben dat asynchrone computers kunnen samenwerken met hun synchrone broertjes, zonder speciaal geschreven software of aangepaste interfacecircuits. Verder heeft Philips inmiddels ook een naam hoog te houden, doordat zij inmiddels asynchrone technieken met wisselend commercieel succes hebben toegepast.