Les circuits asynchrones

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Résumé

J. Cortadella a d’abord présenté les circuits asynchrones. L’idée est de remplacer la synchronisation globale que réalise l’horloge par une synchronisation locale et conjointe des données et du contrôle. Il y en a deux variantes, décrites brièvement ici.

Le dual-rail encoding code toute donnée sur deux fils, les paires de valeurs <0,1>, <1,0> et <0,0> codant respectivement les valeurs 0, 1 et espace, la paire <1,1> étant inutilisée. Toute suite de deux valeurs doit être séparée par un espace. Une porte spéciale dite Müller C-element permet de synchroniser les calculs parallèles. Le dual rail garantit un fonctionnement logique indépendant des délais des fils et portes : il est plus rapide en moyenne que le synchrone, car on peut signaler la fin du calcul dès qu’elle est advenue au lieu d’attendre toujours le pire cas. On peut ainsi additionner des nombres de n bits en temps moyen log₂(log₂(n)) au lieu de log₂(n). Mais ce gain se fait au prix d’un doublement de la surface et de l’énergie, ce qui limite cette technique à des cas spécifiques.

La seconde méthode associe deux fils de contrôle à chaque opérateur, un fil valid allant de l’émetteur au récepteur pour signaler la validité de la sortie et un fil stop allant du récepteur à l’émetteur pour signaler l’impossibilité d’accepter une nouvelle entrée. Pour assurer la stabilisation du résultat, le fil valid traverse un délai explicite supérieur au délai critique de l’opérateur ; le fil stop est alors remis à 0 pour signaler à l’émetteur l’attente d’une nouvelle donnée. Le circuit n’a plus d’horloge globale, mais son analyse conduit aux mêmes contraintes de pire cas que pour un circuit synchrone. Mais un texte ne remplacera jamais les superbes animations de J. Cortadella, et j’engage vivement le lecteur à regarder les vidéos.

Malgré leur intérêt, les circuits asynchrones n’ont pas le même succès industriel que les circuits synchrones, pour trois raisons : leur conception assistée par ordinateur est plus complexe et moins développée que celle des circuits synchrones ; leur test après fabrication peut être aussi plus complexe ; enfin, l’industrie de la conception des circuits est très conservatrice pour des raisons que je discuterai en 2014.

Jordi Cortadella

Jordi Cortadella, professeur à Universitat Politècnica de Catalunya à Barcelone, est spécialiste de la conception et de la synthèse des circuits électroniques. Il s’intéresse aux alternatives aux circuits synchrones classiques, qui cherchent à éviter leurs inconvénients : la distribution de l’horloge à grande échelle est difficile et coûteuse en énergie ; il faut couper les fils trop longs par des registres, ce qui complique beaucoup le contrôle ; enfin, les puces comportent souvent plusieurs horloges indépendantes, avec des problèmes de communication entre zones asynchrones non solubles par les méthodes synchrones.