A megahertzek ideje lejárt

"Megahertz, megahertz,
Nincsen mega, nincsen hertz,
Kilociklus, főrelé,
Van húskonzerv, őszilé."

Moldova György: Az elsüllyedt cirkáló

"Anarchia váltja fel a diktatúrát" -- mondja Karl Fant, a Theseus Logic alapítója és műszaki igazgatója. "Előbb-utóbb minden chipet így terveznek majd. Ez elkerülhetetlen." Hogyan? Az órajel elhagyásával. Egyes mérnököknek ugyanis meggyőződése, hogy a processzorok fejlődésének legnagyobb gátja az órajel.

Sokak számára elképzelhetetlen egy processzor órajel nélkül. Azonban van egy maroknyi elszánt mérnök, akinek szilárd meggyőződése, hogy az órajellel működő szinkron chipek ideje lejárt, és a processzorgyártóknak hamarosan nem lesz más választása, mint az órajel elhagyása és aszinkron áramkörök építése.

Alain J. Martin

"A tervezők kezdik felismerni, hogy az egyre komplexebb chipekben egyre nagyobb gondot jelent az órajel fenntartása, és előbb-utóbb lehetetlenné is válik" -- mondja Alain J. Martin, a Kaliforninai Műszaki Egyetem (California Institute of Technology) professzora, aki még 1989-ben az első aszinkron processzort építette. Martin szerint egyre bonyolultabbá válik a processzorok felépítése, és egyre több energia szükséges majd ahhoz, hogy az órajel üteme eljusson ahhoz a több tízmillió vagy százmillió tranzisztorhoz, amelyek a chipet alkotják.

Ennek a problémának a megszűnése az aszinkron processzorok egyik legnagyobb előnye. A jelentősen megnövekedett elektromos hatásfok közvetlenül lefordítható hosszabb működési időre. Az órajel elhagyásával ezen felül növelhető a chipek számítási teljesítménye is. Nem véletlen, hogy a legnagyobb processzorgyártók mind kísérleteznek ezzel a technológiával. 1997-ben az Intel olyan aszinkron processzort készített, ami fele akkora fogyasztás mellett háromszor nagyobb számítási teljesítményre volt képes, mint az akkori leggyorsabb Pentium chip.

A Theseus Logic fejlesztéseit vezető Fant egész más okot hoz fel az aszinkron chipek mellett. Az órajellel működő processzorok ugyanis ütemes elektromágneses jeleket bocsátanak ki magukból, ami megkönnyíti az esetleges kódfeltörők munkáját. Az aszinkron chipeket ezért rendkívül hatékonyan lehet titkosítási feladatokra használni, ami ideálissá teszi őket például smart kártyákban való használatra.

Azonban bármilyen előnyökkel is járna az aszinkron processzorok alkalmazása, egyelőre csak laboratóriumokban no meg persze a fejekben léteznek. A fentebb említett Intel processzor például sosem került ki a fejlesztőlaboratóriumból. Hogy miért? Erről szól cikkünk.

[oldal:Túl nagy órajel -- túl sok gond?]

Jo Ebergen

Az aszinkron áramkörök építéséhez szükséges technológia már az 1940-es években rendelkezésre állt, azonban a mérnökök mégis az órajel használata mellett döntöttek. "Abban az időben ez helyes döntés volt" -- meséli Jo Ebergen, a Sun Microsystems aszinkron tervezőcsoportjának (Asynchronous Design Group) egyik vezető mérnöke. "Azok között a körülmények között, elektroncsövek és relék használata mellett csak az órajel irányításával lehetett megbízhatóan működő áramköröket építeni. Csak az órajel segítségével érhették el, hogy a számítógépek jól működjenek, mert a felhasznált alkatrészek nem voltak igazán megbízhatóak."

A választás után pedig minden kutatás és fejlesztés alapköve az órajel volt. Az 1960-as évekre az aszinkron áramkörök teljesen eltűntek a színről, csupán pár egyetemi jegyzetben lehetett találkozni velük. Ennek az eredményét ma is érezzük, hiszen egy új processzor megjelenésekor az első és legfontosabb paraméterként az órajelet adják meg a gyártók. Még azok is ismerik az órajelet, akik egyébként semmit sem tudnak a processzorok belső lelkivilágáról.

Amikor egy processzor végrehajt egy utasítást, elektronok száguldanak végig a chipben található mikroszkopikus méretű vezetékeken, végül a kért eredmények előállnak a regiszterekben. Az órajel feladata megszabni az áramköröknek, mikor áll készen a válasz, mikor olvasható ki a számítás eredménye. A chipeket úgy tervezik, hogy az elektronok még a leghosszabb vezetékeken is végigjussanak egy órajelciklus alatt és elérjenek a rendeltetési helyükre.

Mivel az eseményeket egy központi nagyhatalom -- az órajelgenerátor -- irányítja, a tervezőknek nem szükséges minden egyes vezeték hosszával foglalkozni. A jelek bármilyen időben és sorrendben megérkezhetnek a regiszterekbe, a lényeg az, hogy az óra következő ketyegésére a helyükön legyenek. Mérnökök ezrei végzik munkájukat fejükben az óra tikktakkolásával, eddig úgy tűnik, hogy jól: a processzorok teljesítménye az utóbbi harminc évben szédületes sebességgel növekedett. "Az órajel az egyik legjobb tervezési elv. Egyszerű és akár százmillió tranzisztorral is ugyanúgy működik, mint százzal" -- állítja Kevin Normoyle, a Sun processzortervezője.

Azonban egy határon túl az órajel növelése sokkal több hátránnyal jár, mint amennyit profitálni lehet belőle. Mivel a processzorok minden tranzisztorához el kell juttatni az órajelet, minél több a tranzisztor, minél magasabb az órajel, annál nehezebb ezt megoldani.

Az aszinkron kapcsolási technológiát is alkalmazó Myricom vezérigazgatója, a Kaliforniai Műszaki Egyetem korábbi professzora, Chuck Seitz szerint egy modern processzorban a tranzisztorok 15 százaléka szolgál az órajel továbbítására, maga az órajel pedig a chip által felvett teljesítmény 20-25 százalékát "fogyasztja el".

Pat Gelsinger

Az órajel által felhasznált energia jelentős része ráadásul egyszerűen csak hővé alakul. Még Patrick Gelsinger, az Intel műszaki igazgatója is megemlítette ezt a problémát a tavaly februári International Solid-State Circuits Conference rendezvényen tartott nyitóbeszédében. Gelsinger csak félig viccelt, amikor azt mondta, hogy ha a jelenlegi ütemű fejlődés megmarad, 2005-re a processzorok annyi hőt termelnek majd, mint egy atomerőmű.

Nem kell 2005-be előretenkintenünk azonban, ha látni szeretnénk, miyen problémákkal jár egy nagy teljesítményű processzor által leadott hő: jusson eszünkbe az Intel Itanium 130 wattos, vagy a Compaq Alpha 155 wattos hőleadása.

[oldal:Miért ne hagyjuk el az órajelet?]

Az órajel elhagyásával a chipgyártók láthatóan sok problémát megoldanának: csökkenne a processzorok fogyasztása és növekedne a számítási teljesítménye. Az aszinkron processzorok csak akkor vesznek fel energiát, ha valóban működnek és van dolguk. A Philips által 1998-ban kiadott, aszinkron processzoron alapuló személyi hívó pontosan kétszer hosszabb ideig működött, mint a versenytársai.

A szinkron processzorok legfeljebb olyan gyorsan működhetnek, mint leglassabb részegységük -- a számítások eredményei csak akkor állnak elő, ha már minden áramkör befejezte a dolgát. Ezzel szemben az aszinkron chipek áramkörei egymástól függetlenül kommunikálhatnak, és a processzor számítási teljesítménye az alkatrészek teljesítményének átlaga lesz. A processzorgyártók pont ezért kísérleteznek aszinkron áramkörökkel.

A Sun mérnöke, Jo Ebergen így magyaráz: "Kapok egy iratot és elkezdek dolgozni rajta. Ha befejeztem a munkát, visszaadom, ezzel jelzem, hogy kész vagyok. Nem szükséges öt másodpercenként jelentenem, hol is tartok. Sokkal gyorsabban dolgozhatunk, ha megbeszéljük, mikor kezdjük el és mikor fejezzük be a munkát. Nem kell minden mozzanatunkat összehangolni".

Az aszinkron áramkörök további előnye, hogy alig bocsátanak ki magukból elektromágneses zajt. Az órajelre működő chipek esetében egyre nagyobb gondot okoz ennek a kiküszöbölése, de az órajel elhagyása gyakorlatilag megszünteti a problémát. Az alacsony elektromágneses zaj és fogyasztás ideálissá teszi az aszinkron chipeket hordozható eszközökben -- például mobiltelefonokban -- való használatra.

A Sun Asynchronous Design Group "krémje"

Nagy sebesség, energiatakarékosság és zajtalan működés -- minden chipgyártó szeme előtt e célok lebegnek. És bár mind az Intel, a Sun és az IBM kutatói dolgoznak aszinkron áramkörökön, egyelőre egyik cég sem jelentett be ilyen processzort. Miért nem kezdte meg az Intel aszinkron processzorának sorozatgyártását? Annak ellenére, hogy a chip kevesebb energiát fogyasztott és gyorsabban működött, mint az akkor kapható leggyorsabb Pentium, ezek az előnyök nem bizonyultak elégségesnek ahhoz, hogy a vállalat lyen radikális technológiai váltást hajtson végre.

A laboratóriumban kifejlesztett aszinkron chipek lehet, hogy évekkel megelőzik a korukat, azonban a jelenleg elterjedt, "hagyományos" processzorokat tervező, tesztelő és gyártó eszközöknek még mindig nagyobb előnyük van bármilyen aszinkron processzorral szemben.

"Ha egy aszinkron chippel háromszoros teljesítménynövekedést lehet elérni, de ötször annyi időbe kerül kifejleszteni, nem éri meg foglalkozni vele" -- véli Kenneth Stevens, aki az Intel 1997-es aszinkron projektjén is dolgozott. "Nem elég látnoknak lenni, vagy elmondani, mik a technológia előnyei. A kérdés az, hogy elég gyors-e, elég olcsó-e és rendszeresen, akár évenként továbbfejleszthető-e."

A Philips már említett személyi hívója 1998-ban jelent meg a piacon, de több, mint 10 éves kutatási és fejlesztési munka előzte meg a kereskedelmi bevezetését. Az aszinkron áramkörök fejlesztőinek időközben rá kellett döbbenniük: nem elég chipeket fejleszteniük, olyan módszereket is ki kell dolgozniuk, amelyek segítségével tervezni, tesztelni és gyártani lehet őket.

[oldal:Valami elkezdődött]

Az aszinkron processzorok piacra dobásának első korlátja az automatizált tervezési és fejlesztési eszközök hiánya. Húsz évvel ezelőtt egy maroknyi mérnök és egy nagyobb rajztábla is elegendő volt egy chip megtervezéséhez, azonban manapság már szakemberek százai, sőt ezrei dolgoznak együtt és a munkájukat csak fejlett számítógépes rendszerek képesek összehangolni. Az aszinkron áramkörök tervezőinek a "tyúk vagy a tojás" problémával kell szembenézni: amíg nincs tömeges igény, nincs piac az aszinkron chipekre, nem készülnek megfelelő fejlesztőeszközök, ezek hiányában azonban nem készíthetők el a processzorok.

Ráadásul a megfelelő eszközök mellett szükség van még olyan mérnökökre is, akik el tudnak vonatkoztatni az órajel által diktált szabályoktól. Az ilyen mérnökök pedig ritkák, hiszen az aszinkron áramkörök fittyet hánynak mindarra, amit az egyetemeken tanítanak. Az aszinkron processzorokban az eredményeknek és válaszoknak a megfelelő sorrendben és időben kell megérkezniük a rendeltetési helyükre, ezért a chip tervezésénél sokkal nagyobb figyelmet kell fordítani például a vezetékek hosszára vagy azon tranzisztorok számára, amelyen az adott jel áthalad. A tervezőknek sokkal jobban kell érteni a processzorokban lejátszódó fizikai folyamatokhoz, mint az átlagos chiptervező mérnököknek.

Egy másik megoldás, amelyet a Theseus Logic is használ, egy másik kommunikációs csatorna létesítése az áramkörök között. A szinkron chipekben egy adott vezetékben mérhető feszültségszint jelenti az egyet és a nullát. A Fant által kifejlesztett "null-convention logic" technológia két kommunikációs vezetéket jelöl meg, amelyeken az egy és a nulla mellett átvihető a "még nincs eredmény" válasz is. Az eljárás annyira különbözik a szinkron processzorokban használtaktól, hogy egy átlagos processzortervező mérnök aligha tudná hatékonyan használni. Nem véletlen, hogy az aszinkron fejlesztésekkel foglalkozó cégek -- például az amerikai Theseus Logic és Asynchronous Digital Design, vagy az angol Self-Timed Solutions -- dolgozói jórészt a Kaliforniai Műszaki Egyetemen vagy a Manchesteri Egyetemen végeztek, hiszen ezekben az oktatási intézményekben foglalkoznak a legrégebb ideje ilyen chipekkel.

Bár az aszinkron processzorok számára még hosszú az út, mire általánosan elfogadottá válnak, az átmenet első jelei már jól láthatók. Az Intel Pentium 4-ben is vannak aszinkron részegységek. "Lassan vezetjük be az aszinkron technológiát, először hagyományos, órajelre működő chipekben" -- mondja Kenneth Stevens. "Jelenleg ott tartunk, ha meg tudunk valamit valósítani aszinkron elemekkel, és mérhető előnyökkel jár ezeknek a bevezetése, akkor be is vezetjük."

"Ahogy az emberek rájönnek, hogyan lehet könnyedén aszinkron chipeket tervezni és építeni, sokkal természetesebb lesz, mint az órajel használata" -- mondja a Sun mérnöke, Kevin Normoyle. "Nem azért foglalkoznak majd ezzel, mert érdekes, hanem ezért, mert sokkal egyszerűbb, mint bármi más. A célunk az, hogy jobbak legyünk a többieknél. Akkor váltunk majd, ha az órajel ideje lejárt."

A Sun az egyik olyan processzorgyártó, amelyik élen jár az aszinkron technológia alkalmazásában. A vállalat jelenleg közel negyven, aszinkron áramkörökkel kapcsolatos szabadalmat jegyez. Az Ivan Sutherland vezette Sun Asynchronous Design Group a tavasszal rendezett ASYNC 2001 rendezvény keretében mutatta be FLEETzero névre keresztelt 8 bites aszinkron chipjét, amely ugyan igazából csak technológiai prototípus, mégis óriási jelentőségű, hiszen egyértelműen megmutatja: valami elkezdődött...

Szólj hozzá a fórumban!