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Circuits Asynchrones : Une Idée dont l'Heure est venue ?

Aujourd'hui, pratiquement toutes les puces électroniques numériques ont une horloge interne qui joue le rôle central d'un métronome réglant le flot des calculs à travers le système. Pourtant, il est possible, et même à notre avis avantageux, de concevoir des circuits numériques sans horloges. De tels circuits sont appelés asynchrones. En fait, les tous premiers ordinateurs étaient asynchrones, en particulier le fameux ENIAC. Cependant, ces techniques ont très vite été abandonnées au profit des horloges dès que la complexité des circuits a commencé à croître, exposant l'absence de méthode fiable et efficace pour les circuits asynchrones. Mais le pendule a amorcé son retour. Les circuits intégrés numériques ont atteint une telle complexité que les techniques synchrones commencent à poser à leur tour de graves problèmes de fiabilité, robustesse, et consommation d'énergie. Entre temps, plusieurs laboratoires de recherche, en particulier Caltech, ont développé des méthodes sûres et efficaces pour les circuits asynchrones qui représentent désormais une alternative crédible. Une puce électronique numérique moderne est un système complexe exécutant un très grand nombre de tâches élémentaires qui contribuent ensemble au résultat final. Le problème est de garantir qu'une tâche ne reçoit et n'utilise le résultat d'une autre tâche que lorsque ce résultat est valide. Ce problème est résolu de façon relativement simple avec une horloge: toutes les tâches sont conçues de façon à durer moins que la période de l'horloge. Ce signal d'horloge de référence est distribué à toutes les cellules élémentaires du système qui l'utilisent pour décider quand le résultat précédent peut être lu. L'horloge résout simplement (mais seulement partiellement) un autre problème que les Anglo-saxons appellent hasard. Lorsqu'un circuit numérique calcule un résultat, les signaux digitaux qui ensemble codent le résultat peuvent prendre des valeurs intermédiaires invalides appelées hasards. Si les hasards se propagent à travers le système, le résultat final sera corrompu. L'utilisation d?une horloge garantit que les résultats intermédiaires invalides ne sont jamais observés. Malheureusement, à mesure que les circuits intégrés croient en taille, et que leur fréquence d'opération augmente, il devient de plus en plus difficile de distribuer un signal d'horloge de référence à travers tout un système en garantissant qu'un même signal arrive à toutes les cellules en même temps. De plus,la connaissance du temps d'exécution des circuits (nécessaire à l'utilisation des horloges) s'acquiert à un prix qui croît rapidement avec la complexité des systèmes. En effet, la miniaturisation poussée des circuits intégrés entraîne inévitablement une dégradation des paramètres physiques des circuits qui empêche une évaluation précise des délais. Confronté à ce problème, le concepteur de circuits a deux solutions: soit accepter des marges de sécurité réduites, ce qui rend les circuits plus fragiles, soit allonger la période des horloges, ce qui rend les circuits moins performants. Les techniques asynchrones que nous avons développées garantissent des circuits pratiquement insensibles aux variations de délais parce qu'ils ne demandent pas une connaissance des délais. Ils sont donc plus robustes en présence de paramètres physiques inconnus ou variables, tels que la température ou la tension d'alimentation. Ils se passent aussi complètement d'horloges et donc évitent les problèmes énormes que soulève leur implémentation. Mais c'est peut-être un autre avantage des circuits asynchrones qui va enfin convaincre l'industrie de s'y intéresser: les circuits sans horloge consomment moins d'énergie que les circuits traditionnels. Avec des consommations qui dépassent les 100 watts pour un microprocesseur synchrone, la réduction de la consommation d'énergie est devenue un problème urgent et épineux. Caltech s'est intéressé aux circuits asynchrones depuis la fin des années 1970 En 1989 Caltech a conçu et fabriqué le premier microprocesseur asynchrone au monde. Enfin plus récemment Caltech a conçu une version asynchrone d'un microprocesseur MIPS R3000. Avec 2 millions de transistors,une vitesse d'exécution proche de 200 MIPS et une consommation de 4 watts; ce projet est à ce jour le projet universitaire le plus important et le plus performant en matière de circuits numériques.

USA Microélectronique :

http://www.france-science.org/publications/microelectronique/welcome.htm

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