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英特尔每推出一颗芯片，除了标出价格外，还会亮出另一个更重要指标，这就是时钟速度。英特尔总是将芯片速度作为最大的市场卖点，对种种“功能过剩”的预言置若罔闻，坚持不懈地推出速度越来越快的芯片，从而稳坐芯片制造业头把交椅。与此同时，时钟速度还在芯片设计工程师们的工作起着至关重要的作用，因为他们考虑的第一件事情，就是如何在下一次“钟摆”（Clock Tick）之前，将某项任务执行完毕。所以，对大多数芯片设计师来说，没有时钟是不可思议的。

但是，美国硅谷的一些新兴公司、大学和企业实验室却正在从事一种无时钟芯片（Clockless Chip）的研发，对这里的研究人员而言，时钟速度和时钟都不重要。他们的信念是，带时钟的芯片已经山穷水尽，而这种又名“异步设计”或“自计时电路”（Self-timed Circuit）的芯片却有不同凡响之处。他们深信，芯片业除了最终接受它之外，将别无选择。

其实，传统芯片设计师已经发现，随着系统变得越来越复杂，用时钟来统领整个系统已变得越来越困难。现在的芯片时钟需要协调几百万个晶体管的工作，因此随着芯片的复杂化，时钟自身消耗的能量在芯片的全部能耗中所占的比例越来越大。

异步（无时钟）芯片放弃时钟，省却了这一部分能耗，从而拥有了很多优势。其中之一是它大大地提高了电能利用效率，直接延长了电池寿命。此外它还具有计算速度方面的优势。在Sun、英特尔和IBM等公司的实验室里，无时钟芯片提高了高端处理器的工作速度。英特尔在1997年开发了一颗与奔腾系统兼容的异步测试芯片，其运行速度是同等同步芯片的三倍，而能耗却只有后者的一半。硅谷新兴公司特修斯逻辑（Theseus Logic）公司的创始人和首席技术官卡尔·范特还发现并关注着异步芯片的另一大优势：由于这些芯片不像带时钟的电路那样，有规律地发出时间信号，所以它们能执行一种更加难以辨识和攻破的加密算法。加密性的提高，将使异步芯片成为智能卡的当然之选。

那么，无时钟芯片的拥护者们是不是走对了路呢？坦率地说，答案是肯定的。只不过，尽管这种技术的优势是显而易见的，但无时钟芯片在更大程度上还停留在理论层面上，至今尚未步入实用阶段。

一条早年放弃的路线早在1946年，现代计算机技术的创始者们就考虑过异步设计。不过这些早期的计算机工程师还是选择了时钟。因为在他们当时的设计环境里，使用的是真空管和中继电路，没有时钟来控制全局，就无法开发出可靠的计算机。而通过使用时钟，工程师们可以找到一种防故障的方法，即使在部件不可靠的情况下，也能保证计算机的稳定可靠。

做了这种选择后，产生了摩尔定律，带来了开天辟地的效应，使得半导体业里的所有研究、开发和生产活动都将目光集中到带时钟的芯片上。到20世纪60年代，除了在从大学里冒出的一、两篇深奥论文中还有一点身影之外，无时钟芯片的概念基本上消失了。因此，在今天的芯片中，时钟仍然是一个关键部分。在这些芯片中，当微处理器执行指定的操作时，电子信号沿着细微的金属线路前进－分流、交汇、进入逻辑门－直到最后将结果积存到叫做寄存器的临时内存条中。在计算过程中，寄存器里的值是变化的。这是因为执行某操作的信号在到达寄存器之前，沿着不同的路径行进，只有全部信号都走完了自己的路程后，寄存器才将正确的值确定下来。时钟的作用就是保证在指定的时间内得出结果。这样设计出来的芯片能保证电路中最慢的那条路径（线路最长、逻辑门路最多的路径）中的信号在一次钟摆内到达寄存器。

有中央时钟来控制操作，工程师就无需担心几百万条无穷小线路的长度不等了。信号也可以按任意次序到达寄存器，只要在时钟进行下一次摆动之前全部到达寄存器即可。有数百名工程师的设计团队也可以在时钟这个统一的原则下协同工作。而我们所有人也从中受益匪浅：在30多年的时间里，基于时钟的设计原理使得芯片性能得以奇迹般地按指数增长。

但是，在到达一定限度后，提高时钟速度得到的回报越来越少了。正因为如此，1GHz芯片的运行速度并没有达到500MHz芯片运行速度的两倍。时钟由于必须协调芯片上几百万个晶体管的工作，产生了一些额外消耗。在一颗出色的微处理器中，时钟也会消耗掉30%的芯片计算能力。随着时钟速度的提高，这个比例还在以更快的速度增长。这好比在一家过于严格的工厂里，监管人员都手持秒表进行监督，虽然提高了效率，但他们同时也占据了更多的人、机空间。

时钟芯片消耗的能量也越来越大。对每秒摆动10亿次的几千万个晶体管进行协调，需要消耗大量的能量，而多数能量最终又转化为热量。英特尔首席技术官帕特里克·杰尔辛格在去年“国际固体电路研讨会”上的主题发言中也提到过这个问题。杰尔辛格半开玩笑地说，如果微处理器运行的时钟速度继续提高，那么到2005年，芯片运行时将有核反应堆那么热。

不过，传统芯片面临的最紧迫的问题，或许还是时钟速度的进一步提高将面临一些物理实现上的不便之处。在今天的1GHz芯片中，代表二进制的1和0的电子脉冲还勉强能在一次钟摆内在芯片里行走一圈，但在预计将于两年后出品的2GHz芯片中，这将不再是可能的事情。时钟现在所起的作用是使芯片上的所有工作同步，但是这种作用也就到此为止了。

无时钟芯片牛刀小试放弃时钟，芯片厂商就可以摆脱这种困境。无时钟芯片只在做有意义的工作时才使用电源，这将为使用电池的设备节省很多能量。例如，飞利浦电子公司销售的基于异步芯片的寻呼机与使用传统芯片的竞争产品相比，使用时间几乎增加了一倍。

就像马队的行进速度只能按跑得最慢的那匹马的速度来计一样，时钟芯片的运行速度也不会比其最慢的那条电路快，只有各个部件都完成自己的工作后，才能得到结果。与此相反，异步芯片中的晶体管可以独立交换信息，无需等待任何别的部件。这样的结果就是，它能以所有元件的平均速度来运行，而不是整个芯片中最慢的那个部件的速度。英特尔和Sun都用这种技术开发出了运行速度比使用传统电路的同等产品快两、三倍的芯片原型。

无时钟芯片的另一大优点是，它们发出的电磁噪音非常低。而在时钟芯片中，时钟速度越快，防止它干扰其它设备就越困难。取消时钟，也就解决了这个问题。噪音低，再加能耗低，使得异步芯片成了移动设备的自然之选。咨询公司恩斯特-杨的技术战略家约比·本杰明说，最先摘到的无时钟芯片果实将是通信设备。本杰明对这种技术的前景深信不疑，他个人还对加利福尼亚理工学院外新兴的无时钟芯片公司异步数字设备公司进行了投资。

另外两家新公司，特修斯公司和英国曼彻斯特的自计时方案公司则将目光集中到用于智能卡的无时钟芯片上。特修斯的范特认为，阻碍智能卡发展的关键问题是传统芯片易于被人通过观察它的信号，攻破其安全密码。范特说：“时钟是最明显的信号，好象在对人说‘好了，现在看吧。’这像从一个列队行进的乐队中寻找一个人一样。而异步芯片中的信号则像一堆散乱的人群，从中观察不到明确的信号，黑客不知道从何处下手。”

无时钟芯片所有具有的这些速度、能量利用效率和保密性优势，不只是对一些特定的应用重要，对任何芯片而言都是重要的目标。但是，为什么Sun、IBM和英特尔都有小型研究队伍，专门从事特定用途的异步芯片开发，它们之中却没有谁（也没有其它公司）推出通用无的时钟微处理器呢？这似乎是一个令人费解的疏忽。一个差不多将提高处理器速度视为神圣目标的产业，却放弃了提高芯片速度的一个最有前途的方法。你或许要问为什么。

到底为什么呢？答案是，尽管与时钟芯片相比，这种芯片的速度提高了两倍，而消耗的电能却只有一半，但是这还不能成为改变一种根本技术的充足理由。在实验室里，或许异步芯片要领先同步芯片若干年，但是，进行传统微处理器生产的设计、测试和制造系统，仍然要领先异步芯片生产的任何方面大约20年。任何人想要发展无时钟芯片，就需要想办法缩短这个差距。

飞利浦的异步芯片能让该公司的寻呼机在用同样电池的情况下，使用时间增加到采用时钟芯片的寻呼机的两倍。但是，在这种产品于1998年登场的背后，是长达十年的专心致志的研究。异步芯片研究人员从一开始就知道，他们不仅仅是在开发另一种类型的芯片，而是在寻找设计、测试和制造这种芯片的一整套路子。而这谈何容易。

无时钟芯片奋起直追将无时钟芯片推向市场的第一个巨大障碍是缺少提高其设计速度的自动工具。二十年前，一群工程师还可以在纸上画芯片的电路图。但是今天，一般都是几百名工程师一起工作，协调他们行动的唯一希望是使用计算机辅助工具。这样，异步芯片设计人员就面临一个先有鸡还是先有蛋的问题：如果异步芯片没有一个很大的市场，就无法激励大家去创建这种芯片的开发工具；如果没有工具，又生产不出芯片。芯片测试工具的开发也面临同样的问题。没有大量等待测试的芯片，也就没有第三方测试工具的市场。

飞利浦在开发寻呼机芯片时，确定走出这个困境的唯一办法是自己投资，开发需要的工具。另外，为了推动异步芯片技术的发展，哥伦比亚大学的史蒂文·诺维克和曼彻斯特大学的史蒂夫·弗柏两位计算机科学家也分别开发了一套设计工具，作为共享件推出。

除了新一代设计和测试设备之外，成功地开发无时钟芯片还需要懂异步设计的人才。而这样的人才很稀少，因为异步原理跟各大学培养工程人才的方法格格不入。在传统芯片中，到达寄存器的值可以是不正确的，也可以不按顺序到达。但在无时钟芯片中，第一次到达寄存器的值就必须是正确的。实现这个目标的一个办法就是密切注意线路长度和连到寄存器的逻辑门路数目等细节，保证信号按适当的逻辑序列进入寄存器。这就意味着进行这种芯片的物理设计时，必须要比搞同步芯片设计倍加小心，而传统芯片设计师却没有接受过如此严格的培训。

为了保证第一次到达寄存器的值就是正确的，特修斯等公司采用了另一个办法，在芯片上开一个通信通道。时钟芯片在同一条线路上用高、低电压来表示1和0，与此相反，这样得到的“双轨”电路却采用两条线路，不仅可以发送比特，还可以发送表示工作完成时间的“握手”信息。另外，范特还建议用他所谓的“零传统逻辑”来替代传统数字逻辑体系。这是一个不仅能辨识“是”和“否”，还能识辨“尚无结果”的方案－是一种能让无时钟芯片确定某操作还未完成的简便办法。这些思想和方法跟以前的很不相同，实行起来会让原来那些接受钟摆设计训练的工程师们搞晕头。正因为如此，从事异步芯片开发的最新的两家公司，异步数字设备公司和自计时方案公司，员工都来自加利福尼亚理工学院和曼彻斯特大学。这两所大学都已经进行过相当长时间的无时钟芯片研究。

一种芯片要取得成功，设计工具、制造效率和有经验的设计人员三个因素缺一不可。不过，尽管无时钟芯片要想成为主流产品，还有很长的路要走，但是我们可以看到向这种芯片的转移已经开始。英特尔于1997年启动了异步芯片项目，还在今年发布的奔腾4芯片中吸纳进了一些无时钟技术。

那么，无时钟芯片拥护者们所预见的这场革命会怎样发展呢？在芯片制造这种成熟的产业里，取替一种占统治地位的技术自然不可能一蹴而就。但是随着时间的推移，环境的变化，市场天平会慢慢偏向无时钟芯片一边。人们会写出很多相关文章，开发出足够多的工具，培养出充足的人才，将这种目前只应用于一些特殊领域的芯片推向更大的市场将不再是不现实的事情了。

无时钟芯片能给这个产业带来革命，能像我们所期待于摩尔定律的那样，迅速促进向更快、更便宜的芯片发展的趋势。在下一波变革浪潮中，赢家将是那些能把握好行动时机的公司。