CC BY
20
УДК 681.32
ДВУХКАНАЛЬНАЯ КОМБИНАЦИОННАЯ САМОСИНХРОННАЯ СХЕМА
С ВОССТАНОВЛЕНИЕМ
С.Ф. Тюрин
Одно из перспективных направлений развития современной цифровой схемотехники - самосинхронные схемы (ССС). ССС не требуют тактового генератора, могут работать на ультранизких напряжениях питания, что обеспечивает их энергоэффективность, кроме того они самопроверяемы относительно достаточно широкого класса неисправностей. ССС характеризуются двухфазной дисциплиной функционирования. В фазе гашения (или в фазе спейсера) происходит передача одинакового уровня сигнала по линиям парафазных переменных, в рабочей фазе сигналы инверсны. С помощью такой дисциплины, соответствующих так называемых индикаторов и гистерезисных триггеров (С-элементов Маллера) обеспечивается индицируемость выходов всех элементов ССС.
С целью реализации пассивно отказоустойчивой ССС анализируется двухканальная комбинационная ССС и предлагается способ восстановления информации. Поскольку в рабочей фазе информация передаётся в парафазном коде, то введены дополнительные инверторы. Для обеспечения гашения (фазы спейсера) используются транзисторы разрешения.
Описывается разработанный восстановитель информации на основе избыточной транзисторной структуры, парирующий однократный отказ в рабочей фазе или в фазе гашения. Делается вывод о возможности реализации отказоустойчивой ССС на основании предложенного подхода
Ключевые слова: двухканальная комбинационная самосинхронная схема, рабочая фаза, фаза гашения (спейсера), восстановитель информации
Самосинхронные схемы (ССС), основы анализа и синтеза которых сформировал Д. Маллер (США) ещё в 50-е, 60- е годы ХХ века [1-4] в настоящее время пока не имеют такого широкого распространения, как синхронные и даже асинхронные. Но в условиях, когда всё уменьшающиеся технологические нормы проектирования и производства цифровых интегральных микросхем (ИС, а фактически почти уже наносхем) вплотную подводят нас к линии, за которой уже нельзя не учитывать квантовые эффекты, интерес исследователей и инженеров к ним растёт постоянно. Уже созданы самосинхронные кристаллы [5], в России, в Московском институте проблем информатики Российской академии наук (ИПИ РАН) активно работает исследовательская группа Степченкова Ю.А.
На основе БМК в технологическом центре МИЭТ создана обширная библиотека элементов для проектирования
самосинхронных полузаказных ИС [6-9].
Самосинхронная схема строится по двухканальному принципу - имеется основной и двойственный каналы (например, для одновыходной комбинационной цифровой схемы реализуется двойственная логическая функция) на которые подаются либо парафазный входной вектор (переменная + её
Тюрин Сергей Феофентович - ПНИПУ, д-р техн. наук, профессор. e-mail: [email protected]; тел. +7-952-32-02-510
инверсия), либо так называемый спейсер (полностью нулевой или полностью единичный вектор). На рис. 1 выходы значений некоторой логической функции Ъ основного и не Ъ двойственного каналов подключены к так называемом индикатору.
Выходы
предыдущего
блока
Рис. 1. Самосинхронная схема с индикатором I 1
Используется двухфазная дисциплина вычислений. В фазе спейсера (или гашения) индикаторы формируют сигналы её окончания, например, ноль в случае использование единичного спейсера и элемента 2ИЛИ-НЕ. В рабочей фазе, подаётся входной парафазный вектор и, когда выходы двух каналов примут взаимно инверсные значения, что означает завершение переходного процесса, то на выходе индикатора будет сформирована единица. Эти сигналы индикаторов анализируются
специальными гистерезисными триггерами (Г триггерами или элементами Маллера, С-элементами) с целью формирования очередной фазы гашения и передачи результата вычислений в следующий блок. Таким образом, имеется избыточность и в варианте, изображённом на рис.1 она больше 100%. Избыточность пока и «отпугивает» разработчиков, кроме того, методы
автоматизированного синтеза и анализа ССС реальной размерности находятся в стадии формирования. Что касается надёжности ССС, то часто декларируется свойство обнаружения константных отказов, но фактически это свойство может быть использовано только при наличии дополнительной аппаратуры (например, фиксатора-счётчика допустимого максимального времени переходного процесса) в активно отказоустойчивой аппаратуре, требующей перерыва в работе для восстановления (и аппаратуры восстановления-реконфигурации и резервного оборудования), что не всегда возможно для так называемых «онлайн» задач. В то же время возможности создания пассивно отказоустойчивых самосинхронных схем не нашли должного отражения в доступных автору источниках, можно сделать вывод о том, что теория пассивно отказоустойчивых
самосинхронных схем только формируется. Поставим задачу разработки способа восстановления информации в ССС без троирования на основе их исходной избыточности. После введения второго канала вычислений той же логической функции Ъ схема с учётом рис. 1 становится фактически четырёхканальной - рис. 2.
Выходы предыдущего блока
-и.
иг
0-
Рис. 2. Самосинхронная схема с двумя каналами 1, 2 и двумя индикаторами II, 12
Анализ схемы рис. 2 рассмотрен в [8] и представлен рис. 3.
ъ\ Ъ 1 Ъ2 Ъ 2 № Набора Т(Х1 Z1Z2Z2) Ошибка § Примечание
и 0 0 0 0 0 0 Спейсер нулевой
0 0 0 1 1 0 1 Ошибка выдачи 0 или нулевого спейсера
0 0 1 2 1 1 Ошибка нулевого спейсера или выдачи 1
0 0 1 1 3 ~ 1 Двукратная ошибка
0 1 4 0 1 Ошибка выдачи 0 или нулевого спейсера
0 1 1 5 0 выдача 0
0 1 1 б ~ 1 Двукратная ошибка
0 1 1 1 7 0 1 Ошибка единичного спейсера или выдачи 0
1 0 8 1 1 Ошибка выдачи 1 или нулевого спейсера
1 0 1 9 ~ 1 Двукратная ошибка
1 0 1 10 1 выдача 1
1 0 1 1 11 1 1 Ошибка единичного спейсера или выдачи 1
1 1 12 ~ 1 Двукратная ошибка
1 1 1 13 0 1 Ошибка единичного спейсера или выдачи 0
1 1 1 14 1 1 Ошибка единичного спейсера или выдачи 1
1 1 1 1 15 1 0 Спейсер единичный
восстановить значение правильного сигнала невозможно.
При задании наборов таблицы истинности рис. 3 на карте Карно получаем диагональ из нулевых клеток 0000,0101,1010,1111, поэтому минимизированная функция ошибки имеет вид (1):
g(Ъ1ЪlЪ2Ъ2). = (-Ъ1Ъ2-) V (Ъ -Ъ2-) V (-Ъ1Ъ2 -) V (Ъ1 -Ъ2-). (1).
В [8] не рассмотрена возможность восстановления информации при однократном отказе и только в рабочей фазе. А, учитывая наличие фактически четырёх копий одной и той же информации (это в классификаторе Федерального Института Промышленной Собственности называют не очень благозвучно - расчетверением (на взгляд автора лучше бы звучало учетверение) в противовес дублированию и троированию) в двух каналах, каждый из которых имеет основной и двойственный каналы, это возможно и весьма несложными средствами [8-10]. С учётом вышесказанного восстановитель информации Х неХ в двухканальной самосинхронной схеме может иметь вид - рис. 4.
Выходы предыдушеа
Рис. 4. Восстановитель информации Х не Х в двухканальной самосинхронной схеме
Восстановление информации возможно только при наличии одного отказа в четвёрке входных сигналов Ъ1, не Ъ1, Ъ2, не Ъ2 путём реализации функции (2):
X = Х1Х1 V Х2Х2. (2).
Такая функция реализуется на основе КМОП транзисторов так, как указано на рис.5.
Рис. 3. Таблица анализа самосинхронной схемы с двумя каналами 1, 2 Рис. 3 показывает, что ошибка обнаруживается без фиксации фазы, но
Рис. 5. КМОП реализация восстановителя с разрешением
Для восстановления информации с двойственного канала используем функцию
(3): = =
X = Х1Х1 V Х2Х2. (3).
Структура восстановителя включает четыре инвертора, а также дополнительный транзистор для реализации фазы спейсера по входу разрешения Е. Таким образом, всего необходимо 28 транзисторов.
С целью повышения надёжности восстановитель следует дублировать. Тогда схема с дублированным восстановителем информации Х1, не Х1, Х2, не Х2 будет иметь вид рис.6.
Вьсхолы
Рис. 6. Дублирование восстановителя информации в двухканальной ССС
Дублирование восстановителя
информации в двухканальной ССС требует наличия гистерезисного триггера Г-триггера). То есть на выходах восстановителей 1,2 следует предусмотреть индикаторы 13, 14, и выходы всех индикаторов необходимо подать на входы Г триггера - рис. 7.
Рис. 7. Восстановитель информации с учётом гистерезисного триггера
Выход Г триггера подаётся на блок спейсера. Целесообразно использовать отказоустойчивый Г триггер с расчетверением [7]. В таком случае создаётся дополнительная возможность парирования отказа одного индикатора из четырёх.
Кодированная таблица переходов предлагаемого Г триггера с выбором 3 из 4-х изображена на рис. 8.
Код vit, F Г .iimi|i i.i входных переменных и еоетояния памяти Примечание
1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 л
1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 b
1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 с
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 (1
0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 Исходное
1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 Завершение 11113 из 4-х
v(t+l)
Рис. 8. Кодированная таблица переходов предлагаемого Г триггера с выбором 3 из 4-х.
Минимизация функции y(t+1) методом поразрядного сравнения рабочих и запрещённых двоичных наборов позволяет получить выражение
y(t +1) = bcd v acd v abd v abc v y(t) ( cd v bd v bc v ad v ac v ab). Выполняем двойную инверсию выражения (4):
(4).
y(t+1) =
bcd v acd v abd v abc v y(t)
(5).
( cd V bd V Ьс V ad V ас V аЬ) Раскрывая нижнюю инверсию и проводя упрощения, получим под инверсией исходное выражение, в котором переменные проинверсированы в связи с
самодвойственностью функции (4):
y(t+1) =
bcd v acd v abd v abc v y(t)
( cd v bd v bc v ad v ac v ab) Группируя члены выражения (6), получим
y(t+1) =
(bc v ac v ab)d v abc v y(t) [( c v b v a)d v (c v a)b v ac)]
(6).
(7).
Тогда КМОП реализация Г триггер может выглядеть так, как изображено на рис. 9.
Рис. 9. Схема электрическая принципиальная КМОП реализации Г триггера с выбором 3 из 4-х
Легко видеть, что предложенный Г триггер с выбором 3 из 4-х сводится к обычному Г триггеру на 2 входа только при попарном объединении входов, например, а=Ь, c=d; а=с, b=d и а= d, Ь=с. Обеспечивается возможность использования предлагаемого гистерезисного триггера в резервированных самосинхронных схемах, учитывающих возможность отказа в одном из четырёх каналов.
ВЫВОДЫ
Таким образом, предложенный восстановитель информации в двухканальной ССС позволяет обеспечить пассивную отказоустойчивость ССС путём парирования ошибки в одном из каналов - в основном или в двойственном. Помимо КМОП реализации функции расчетверения структура
восстановителя включает четыре инвертора и имеет сложность 28 транзисторов при учёте необходимости восстановления парафазной информации Х, неХ. При дублировании восстановителей в следующий блок, в котором имеется свой восстановитель, также подаётся четвёрка сигналов. При введении индикаторов на выходах восстановителей возникает дополнительная возможность использования отказоустойчивого Г триггера.
В дальнейшем целесообразно более подробно рассмотреть процедуры смены фаз, а также вопрос оптимизации затрат на
восстановление, так как в минимальном варианте восстановление можно
предусмотреть только на выходе всего устройства, а в максимальном - на выходе каждого из его блоков или узлов. Отдельного рассмотрения требует вопрос резервирования регистровых схем, так как там имеются внутренние связи, что делает невозможным восстановление информации, подобное комбинационным СС-схемам.
Литература
1. Muller D. E., Bartky W. S. A theory of asynchronous circuits [Text] // Proc. Int Symp. On the Theory of Switching, Part 1. - Harvard University Press, 1959. - pp. 204-243.
2. Апериодические автоматы / под ред. В.И. Варшавского. - М.: Наука, 1976. - С.304.
3. Апериодическая схемотехника [Текст] / В.И. Варшавский, В. Б. Мараховский, Л. Я. Розенблюм и А. В. Яковлев // В кн. Искусственный интеллект, т.3: Программные и аппаратные средства; под ред. В. Н. Захарова и В. Ф. Хорошевского. - М.: Радио и связь, 1990.
4. Yakovlev A. Energy-modulated computing [Text] //Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE), 2011. - IEEE, 2011. - pp. 1-6.
5. Hollosi B. Delay-insensitive asynchronous ALU for cryogenic temperature environments [Text] //Circuits and Systems, 2008. MWSCAS 2008. 51st Midwest Symposium on. - IEEE, 2008. - pp. 322-325.
6. Библиотека элементов для проектирования самосинхронных полузказных микросхем серий 5503/5507 и 5508/5509 [Текст] / Ю.А. Степченков, А.Н. Денисов, Ю.Г. Дьяченко, Ф.И. Гринфельд, О.П. Филимоненко, Н.В. Морозов, Д.Ю. Степченков. — М.: ИПИ РАН, 2008. — 296 с.
7. A.N. Kamenskikh, S.F. Tyurin. Advanced Approach to Development of Energy-Aware and Naturally Reliable Computing Systems[Text]. Proceeding of the 2015 IEEE North West Russia Section Young researches in electrical and electronic engineering conference (2015 ElConRusNW). Pp 67-69
8. Kamenskih, A.N., Tyurin, S.F. Application of redundant basis elements to increase self-timedcircuits reliability [Text] // Proceedings of the 2014 IEEE North West Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference. - ElConRusNW 2014. pp. 47-50.
9. Kamenskih, A.N., Tyurin, S.F. Features that provide fault tolerance of self-synchronizing circuits [Text] // Russian Electrical Engineering. - 2015. pp.672-682.
10. Ульман Дж. Д. Вычислительные аспекты СБИС [Текст]. пер. с англ.: А.В. Неймана / Дж. Д. Ульман. под ред. П.П. Пархоменко. - М.: Радио и связь, 1990. - 480 с.
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
A DUAL CHANNEL COMBINATIONAL SELF-TIMED CIRCUIT WITH RECOVERY
S.F. Tyurin, Honored Inventor of the Russian Federation, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department of Automation and Telemechanics Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation, e-mail: [email protected]
One of the promising directions of development of modern digital circuit design - self-timed circuits (STC). STC does not require a clock can operate at ultra-low power supply voltages, which ensures energy efficiency, in addition, they self-checking
regarding a sufficiently broad class of failures. They are characterized by a two-phase functioning. During first phase, called spacer, is transmitted on the same signal lines variables in operating phases are inverse signals. With such discipline, corresponding to the so-called indicators and hysteresis trigger (C-elements Muller) is provided the displayed output of all elements of the STC. In order to implement a passive fault-tolerant dual-channel STC analyzes the combination STC and provides a method of data recovery. Since the operating phase, the information is transferred in paraphase code, additional inverters introduced. For quenching (phase spacer) used transistors permission. Describes developed a reducing redundant information based on the transistor structure, parrying a single failure in the working phase or phase cancellation. Conclusions on the possibility of implementing a fault-tolerant STC on the basis of the proposed approach
Key words: self-timed circuits, recovery
References
1. Muller D. E., Bartky W. S. A theory of asynchronous circuits // Proc. Int Symp. On the Theory of Switching, Part 1. - Harvard University Press, 1959. - p. 204-243.
2. Aperiodicheskie avtomatyi: Pod redaktsiey Varshavskogo V.I. - M.: Nauka, 1976. - p.304.
3. V.I. Varshavskiy, V. B. Marahovskiy, L. Ya. Rozenblyum i A. V. Yakovlev, § 4.3 Aperiodicheskaya shemotehnika [Aperiodic circuitry], v kn. Iskusstvennyiy intellekt, t.3: Programmnyie i apparatnyie sredstva. Pod red. V. N. Zaharova i V. F. Horoshevskogo. M.: Radio i svyaz, 1990.
4. Yakovlev A. Energy-modulated computing //Design, Automation & Test in Europe Conference & Exhibition (DATE), 2011. - IEEE, 2011. - pp. 1-6.
5. Hollosi B. Delay-insensitive asynchronous ALU for cryogenic temperature environments //Circuits and Systems, 2008. MWSCAS 2008. 51st Midwest Symposium on. - IEEE, 2008. - p. 322-325.
6. Yu.A. Stepchenkov. A.N. Denisov. Yu.G. Diachenko. F.I. Grinfeld. O.P. Filimonenko. N.V. Morozov. D.Yu. Stepchenkov. Biblioteka elementov dlya proyektirovaniya samosinkhronnykh poluzkaznykh mikroskhem seriy 5503/5507 i 5508/5509 [Library elements for designing self-timed chip semi-custom series 5503/5507 and 5508/5509] — M.: IPI RAN. 2008. — p. 296.
7. A.N. Kamenskikh, S.F.Tyurin. Advanced Approach to Development of Energy-Aware and Naturally Reliable Computing Systems. Proceeding of the 2015 IEEE North West Russia Section Young researches in electrical and electronic engineering conference (2015 ElConRusNW). pp67-69.
8. Kamenskih, A.N., Tyurin, S.F. Application of redundant basis elements to increase self-timedcircuits reliability // Proceedings of the 2014 IEEE North West Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference. - ElConRusNW 2014. pp. 47-50.
9. Kamenskih, A.N., Tyurin, S.F. Features that provide fault tolerance of self-synchronizing circuits // Russian Electrical Engineering. - 2015. pp.672-682.
10. Dzh. D. Ul'man. Vychislitel'nye aspekty SBIS [Computational Aspects of VLSI] Per. s angl.: A.V. Nejmana. Pod red. P.P. Parhomenko. - M.: Radio i svyaz', 1990. - p.480.
