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La investigación sobre circuitos asíncronos comenzó a mediados de los años cin- cuenta del siglo XX [MB57, Mul63], pero no fue hasta la última década del siglo cuando la industria y el mundo académico apreciaron las excelentes ventajas de los diseños asíncronos, reflejando este hecho en forma de nuevos artículos y pro- ductos en el mercado, como los referenciados en el apartado anterior.

Dado que, como se verá más adelante, el objetivo principal de esta tesis está íntimamente relacionado con el área de los procesadores asíncronos de propósito general, en este apartado se muestran algunos ejemplos de procesadores asín- cronos recientes, presentados siguiendo el orden cronológico de sus publicaciones relacionadas.

MiniMIPS

En el año 1997, el grupo Asynchronous VLSI de Caltech publica el diseño del MiniMIPS [MLM+_{97], una versión asíncrona del procesador MIPS R3000. Con-}

siste en un sencillo procesador RISC de 32 bits sin especulación ni predicción de saltos. Este procesador consiguió un rendimiento hasta dos veces y media mejor que procesadores contemporáneos síncronos como el StrongARM [WM96]. En la Figura 1.1 se muestra el circuito después de su fabricación.

Familia AMULET

El diseño asíncrono comercial más conocido en el ámbito de los procesadores de propósito general quizá sea la familia de procesadores AMULET, desarrollada por el Advanced Processor Technologies Group en la Universidad de Manchester. Esta familia está formada por una saga de procesadores asíncronos compatibles con el repertorio de instrucciones de los procesadores síncronos ARM. El princi- pal objetivo de los procesadores AMULET fue, desde un principio, minimizar el consumo de potencia.

El último de los procesadores de esta familia que vio la luz, el AMULET3 [FGG98, GFC99], constituye una importante evolución sobre los modelos anteriores de la

26 1.3. Procesadores asíncronos

Figura 1.1: Layout del procesador MiniMIPS (1997) [MLM+

97].

saga. Se trata de un procesador RISC de 32 bits con pipeline de cinco etapas, ejecución fuera de orden con predicción de saltos y reorder buffer. Es compatible con el repertorio de instrucciones ARM9 y sus prestaciones son muy similares al modelo síncrono equivalente de ARM, el ARM9TDMI, con la ventaja de su mayor compatibilidad electromagnética y su robustez ante variaciones de parámetros físicos.

El destino del AMULET3 era convertirse en un núcleo empotrable en sistemas más complejos. En el año 2000, el grupo de Manchester publica el diseño AMU- LET3i [GBB+_{00], un SoC (System-on-Chip) que incluía un procesador AMU-}

LET3, una memoria RAM de 8 Kbytes, una ROM de 16 Kbytes, un bus asíncrono interno MARBLE [BF98] y un interfaz para dispositivos síncronos.

Alternativas asíncronas al microcontrolador 8051

El grupo de Caltech realiza en 2003 un nuevo diseño asíncrono de relevancia: Lutonium [MNP+_{03], una versión asíncrona del conocido microcontrolador 8051.}

Su diseño prima el alto rendimiento, obteniendo una eficiencia energética mayor que los diseños síncronos del controlador 8051 fabricados por Phillips ó Dallas. En 2006, el grupo de circuitos integrados de la Nanyang Technological University

1. Introducción 27

Figura 1.2: Estructura del sistema ARM996HS™(2006) [BY06].

presenta una nueva versión asíncrona del microcontrolador 8051, el A8051 [CG06], diseñado para obtener un consumo de potencia extremadamente bajo. Presenta como novedad la división de la arquitectura del controlador 8051 en un pipeline de dos etapas con el objetivo de minimizar la actividad del sistema.

ARM996HS™

Un diseño aún más actual, basado también en el repertorio de instrucciones ARM, es el ARM996HS™ [BY06, BY07]. Desarrollado dentro de la alianza entre Hands- hake Solutions y ARM, se trata de un microchip destinado a abastecer a campos como la industria automovilística, la electrónica de consumo, la conectividad wi- reless, los implantes médicos y las conocidas smartcards.

Las características principales del ARM996HS™ son, en parte, similares a las del AMULET, aunque mejoradas en prestaciones. Se trata de nuevo de un procesador RISC de 32 bits con pipeline de cinco etapas, ejecución fuera de orden con predic- ción de saltos y reorder buffer. El diseño incluye un núcleo ARM9HS totalmente asíncrono que se comunica con el resto del chip por un protocolo handshake de

28 1.3. Procesadores asíncronos Procesador Voltaje (V) Año Tecnología Rdto. (MIPS) Cons. Pot. (mW) MiniMIPS 2,0 1997 HP 0,6 µm 100 850 Amulet3 3,3 1999 0,35 µm 120 155 Lutonium 8051 1,8 2003 TSMC 0,18 µm 200 100 A8051 1,1 2006 0,18 µm 5 0,114 ARM996HS™ 1,2 2006 TSMC Sage-X 0,13 µm 83 0,045

Tabla 1.1: Resumen de características de varios procesadores asíncronos recientemente publicados.

cuatro fases. Además implementa un bus AMBA™ para comunicaciones con en- tornos síncronos. En la Figura 1.2 se muestra el esquema simplificado del sistema ARM996HS™.

Comparativa

En la Tabla 1.1 se muestra un resumen de las características tecnológicas, de rendimiento y consumo de potencia de los procesadores descritos en este apartado. Cabe destacar que todos los procesadores asíncronos mencionados son microar- quitecturas de 32 bits que, como se verá más adelante, han sido desarrolladas, o bien a partir de entornos o lenguajes de programación creados especialmente para ellos, o bien a partir de lenguajes de descripción de hardware.

El interés de la industria y de la comunidad universitaria por los procesadores asíncronos de propósito general queda demostrado, así como la potencial demanda de herramientas y entornos de simulación parametrizables destinados al estudio de nuevas técnicas relacionadas con los procesadores asíncronos. Estos aspectos forman parte de las motivaciones fundamentales de la presente tesis, que se ex- plican en el siguiente apartado.

1. Introducción 29