Stephan Hermanns

Architekturkonzepte für semi-synchrone Architekturkonzepte für semi-synchrone

Controller auf der Basis der Asynchronen Controller auf der Basis der Asynchronen

Wave Pipeline SchaltungstechnikWave Pipeline Schaltungstechnik

Sorin Alexander Huss

Architekturkonzepte für semi-synchrone

Controller Controller auf der Basis der Asynchronen Asynchronen

Wave Pipeline Wave Pipeline Schaltungstechnik

Stephan Hermanns:

3

NN Datenwellen Datenwellen

(Async.) Wave Pipeline(Async.) Wave Pipeline

RequestRequest

Controller (FSM)Controller (FSM)

NN unabhängige unabhängigeparallele Automatenparallele Automaten

Automat 1Automat 1

Automat Automat NN

Controller + Waves = unabhängige AutomatenController + Waves = unabhängige Automaten

4

Timing der parallelen Automaten und Timing der parallelen Automaten und SynchronisationproblemSynchronisationproblem

ProblemProblem::SynchronisationSynchronisation

von Eingabe- von Eingabe- und und

ZustandswellenZustandswellen

11

22

22

11 3345

Folgezustand Folgezustand nnAutomat 2Automat 2

Zustand Zustand nnAutomat 1Automat 1

Eingabe Eingabe nnAutomat 1Automat 1

Folgezustand Folgezustand nnAutomat 3Automat 3

ist fast fertigist fast fertig

Ausgabe Ausgabe nnAutomat 3Automat 3

5 4 33

4

Welle,Welle,Automat 4Automat 4

11

3345

5

Temperatur

Geometrie

Spannung

Variationen Variationen in …in …

Eingangs-signalform

InternerGatterzustand

Problem: Delay-VariationenProblem: Delay-Variationen

Aber:Aber: Intervall für Intervall für Zustandswechsel bekanntZustandswechsel bekannt,, wenn wenn StartzeitpunktStartzeitpunkt der Berechnung der Berechnung bekanntbekannt

Delay und tDelay und tzz+ nicht exakt bekannt. nicht exakt bekannt.

Delay-Variationen in WP-GatterstrukturenDelay-Variationen in WP-Gatterstrukturen

6

ÜberlappungÜberlappungzw. Signal 1/2zw. Signal 1/2

MindestabstandMindestabstandzweier Wellenzweier Wellen

Meta-/Meta-/Kontroll-Kontroll-informationinformation

Zeigt Gültigkeit desZeigt Gültigkeit des2. Signals an2. Signals an

Signal 1Signal 1gültiggültig

Signal 2Signal 2ungültig/ungültig/

keine Datenkeine Daten

Anforderungen an WP-GatterstrukturenAnforderungen an WP-Gatterstrukturen

7

Schaltwerke mit WP: Zusätzliche AnforderungenSchaltwerke mit WP: Zusätzliche Anforderungen

11

11

22

22

33

Bin gleich fertigBin gleich fertig

5 4 33

MaximalabstandMaximalabstandwurde überschritten,wurde überschritten,

z. B. durch akkumulierte z. B. durch akkumulierte Delay-VariationenDelay-Variationen

Das wird eng…Das wird eng…

Treff‘ ich michTreff‘ ich michmit 2 oder 3?!mit 2 oder 3?!

Wellen für Wellen für NNAutomaten Automaten brauchen Raumbrauchen Raum Maximalabstand Maximalabstand und -ausdehnungund -ausdehnung

Zustand darf Startzeitpunkt nicht (mit-)bestimmen Zustand darf Startzeitpunkt nicht (mit-)bestimmen ((Maximalabstand kann überschritten werden)Maximalabstand kann überschritten werden)

8

CCAsynchrones Protokoll durchAsynchrones Protokoll durchMuller-C ElementeMuller-C Elemente

Eingabe- vor Zustandssignalen stabilEingabe- vor Zustandssignalen stabil

Zustands- vor Eingabesignalen stabilZustands- vor Eingabesignalen stabil

Architekturen zur Synchronisation vonArchitekturen zur Synchronisation vonEingabe- und ZustandswellenEingabe- und Zustandswellen

9

CC

Meta-/Kontroll-Meta-/Kontroll-informationinformation

derderZustandssignaleZustandssignale

Meta-/Kontroll-Meta-/Kontroll-informationinformation

derderEingabesignaleEingabesignale

Nachteile:Nachteile:

- Hohe Latenz und längerdauernde ÜberlappungHohe Latenz und längerdauernde Überlappung

- C Elemente für Speed-independent Modelle gedacht.C Elemente für Speed-independent Modelle gedacht.WP basiert auf Bounded-Wire-and-Delay ModellWP basiert auf Bounded-Wire-and-Delay Modell

- Zustandsdatenwellen bestimmen Startzeitpunkte mitZustandsdatenwellen bestimmen Startzeitpunkte mit

Synchronisation:Synchronisation: Asynchrones Protokoll durch Muller-C Elemente Asynchrones Protokoll durch Muller-C Elemente

10

CCAsynchrones Protokoll durchAsynchrones Protokoll durchMuller-C ElementeMuller-C Elemente

Zustands- vor Eingabesignalen stabilZustands- vor Eingabesignalen stabil

Architekturen zur Synchronisation vonArchitekturen zur Synchronisation vonEingabe- und ZustandswellenEingabe- und Zustandswellen

Eingabe- vor Zustandssignalen stabilEingabe- vor Zustandssignalen stabil

11

Nachteile:Nachteile:

- Zustandsdatenwellen bestimmen StartzeitpunkteZustandsdatenwellen bestimmen Startzeitpunkte

Vorteile:Vorteile:

+ Niedrige Latenz des SynchronisierersNiedrige Latenz des Synchronisierers

Meta-/Kontroll-Meta-/Kontroll-

informationinformationderder

ZustandssignaleZustandssignale

StartzeitpunkteStartzeitpunktewerden der Umgebungwerden der Umgebung

gemeldetgemeldet

Synchronisation:Synchronisation: Eingabe- vor Zustandssignalen stabil Eingabe- vor Zustandssignalen stabil

ZustandZustand

EingabeEingabe

maxinert

XX

ZZ

Eingabe wird vor Zustand gültigEingabe wird vor Zustand gültig

12

CCAsynchrones Protokoll durchAsynchrones Protokoll durchMuller-C ElementeMuller-C Elemente

Eingabe- vor Zustandssignalen stabilEingabe- vor Zustandssignalen stabil

Zustands- vor Eingabesignalen stabilZustands- vor Eingabesignalen stabil

Architekturen zur Synchronisation vonArchitekturen zur Synchronisation vonEingabe- und ZustandswellenEingabe- und Zustandswellen

13

Vorteile:Vorteile:

+ Bursts untereinander anisochron (Bursts untereinander anisochron (geringere mittl. Latenzgeringere mittl. Latenz))

+ Niedrige Latenz des SynchronisierersNiedrige Latenz des Synchronisierers

Meta-/Kontroll-Meta-/Kontroll-informationinformation

derderEingabesignaleEingabesignale

Die Die erste Welle im Bursterste Welle im Burstzeigtzeigt den den

AnfangAnfang eines Bursts eines Bursts anan

Synchronisation:Synchronisation: Zustands- vor Eingabesignalen stabil Zustands- vor Eingabesignalen stabil

ZustandZustand

EingabeEingabe

maxinert

tt

tt

XX

ZZ

Zustand Zustand wirdwird vor Eingabe gültig vor Eingabe gültig

festfestvariabelvariabel

XX

tt

BurstBurst

Nachteile:Nachteile:

- Gruppen (Bursts) von Gruppen (Bursts) von NN isochronenisochronenEingabewellen nötigEingabewellen nötig

14

Kern: 16bit Brent-Kung AddiererKern: 16bit Brent-Kung Addierer

Schaltungstechnik: Self-Resetting CMOSSchaltungstechnik: Self-Resetting CMOS(SRCMOS)(SRCMOS)

Technologie: 0,35µm CSD (AMS)Technologie: 0,35µm CSD (AMS)

Anwendung: Sequentieller 32bit MultipliziererAnwendung: Sequentieller 32bit Multiplizierer

min,d

max,d

maxinert

minWD

N

2,5 ns2,5 ns

3,16 ns3,16 ns

150 ps150 ps

600 ps600 ps

22

TT = -5 … 85ºC= -5 … 85ºCUU= 3,3V= 3,3Vkeine PVkeine PV

15

Synchrone Wave PipelinesSynchrone Wave Pipelines

- Die Latenz wird durch den Worst Case bestimmtDie Latenz wird durch den Worst Case bestimmt

- explizite Speicherelemente und Taktsignal(e) erforderlichexplizite Speicherelemente und Taktsignal(e) erforderlich

- keine Reduzierung der Leistungsaufnahme wenn Idlekeine Reduzierung der Leistungsaufnahme wenn Idle

Schaltwerke mit Asynchronen Wave PipelinesSchaltwerke mit Asynchronen Wave Pipelines

+ Latenz wird im Mittel reduziertLatenz wird im Mittel reduziert

+ Keine Speicher außer Parasiten / kein Takt nötig, Keine Speicher außer Parasiten / kein Takt nötig, aberaber

- Verteilung des Request-Signals erfordert ähnliche, Verteilung des Request-Signals erfordert ähnliche, lokalelokale BehandlungBehandlung

Vergleich mit synchronen Wave Pipelines Vergleich mit synchronen Wave Pipelines ZusammenfassungZusammenfassung

16

17

Delay-Variation durch TemperaturDelay-Variation durch Temperatur

CTd 5,

CTd 85,

-5ºC-5ºC85ºC85ºC 2,5ns2,5ns

3,16ns3,16ns

18

Delay-Variation durch GatterzustandDelay-Variation durch Gatterzustand

14

3725 pspsg

2ps2ps

19

Elliptic Curve Crypto ChipElliptic Curve Crypto Chip