De klok verstookt dertig tot veertig procent van de totale energie die een processor opsoupeert. Dat is nogal wat voor een onderdeel dat zelf niks uitrekent. Toch is een klok erg handig, want hij deelt de werkzaamheden van een chip op in duidelijke stappen. Niet alle signalen op de chip zijn immers even lang onderweg en je wilt zeker weten dat elk signaal verwerkt is voor je aan de volgende rekenstap begint.

Voor die zekerheid betaal je een prijs. De snelheid van de complete chip wordt afhankelijk van het sloomste signaal. De distributie van het kloksignaal kost een hoop extra transistoren, waardoor de chip groter en dus duurder wordt. En de klok zorgt voor voortdurende activiteit op de hele chip, ook daar waar voor de berekening helemaal geen activiteit nodig is, met onnodig hoog energieverbruik als gevolg.

Reden genoeg om de klok overboord te zetten dus. Asynchroon ontwerpen heet dat, want zonder klok lopen de signalen op een chip niet meer keurig in het gelid. ‘Ik vergelijk het wel eens met wijken’, zegt technisch directeur dr. Ad Peeters van Handshake Solutions, een door Philips opgezet bedrijf in Eindhoven. ‘In een geklokt ontwerp loopt iedereen in een wijk elke drie minuten naar de brievenbus om te kijken of er post is. Als je met een radio luistert naar de activiteit op een chip, kun je bij een synchroon ontwerp letterlijk horen hoe alle voordeuren tegelijkertijd dichtgeslagen worden. Bij een asynchroon ontwerp belt de postbode aan als hij post heeft. Dat is veel efficiënter. In die zin is onze technologie te vergelijken met de uitvinding van de deurbel.’

In een asynchroon ontwerp geeft ieder signaal een virtueel estafettestokje over aan het volgende signaal. Op die manier garandeer je ook dat elk signaal verwerkt is voor je aan de volgende rekenstap begint. Dat is een voordeel, maar het is ook een nadeel. Elke chip wordt namelijk getest voor hij de fabriek verlaat. Op een synchrone chip kun je de klok even stilzetten, zodat je stap voor stap kunt meten of de chip zich in de juiste toestand bevindt. Een klokloze chip kun je niet even stilzetten, je kunt alleen kijken of het eindresultaat klopt. Van die geringere testmogelijkheden worden afnemers nerveus. Het is een van de redenen waarom klokloze ontwerpen tot nu weinig verder komen dan chips met een beperkte functionaliteit.

Daar gaat verandering in komen, zegt Peeters: ‘We hebben een oplossing gevonden om asynchrone ontwerpen volledig testbaar te maken. Voor dat doel kunnen we nu een testklok op de chip inbouwen. Tijdens het testen gedraagt de chip zich als een synchrone chip, zodat je alle beproefde testmethoden kunt gebruiken. Vijf jaar zijn we ermee bezig geweest – testen is moeilijk, niet erg sexy, maar wel uiterst belangrijk.’

De klok op de chip maakt het dus mogelijk ook de asynchrone chip even stil te zetten, zodat de juiste werking net als bij synchrone chips stap voor stap te controleren valt. Ook op andere terreinen beseffen de asynchrone ontwerpers dat ze zich moeten aansluiten bij de wereld van de klok, willen ze een voet tussen de deur krijgen. Klanten die zich melden voor een klokloze chip, kunnen van precies dezelfde ontwerpgereedschappen gebruik maken als ze altijd doen. Handshake voegt daar alleen tools aan toe die het asynchrone domein bereikbaar maken.

‘We hebben een bibliotheek van vijftig componenten die we betrouwbaar kunnen implementeren’, vertelt Peeters. ‘De klant maakt een ontwerp op een hoger functioneel niveau. Wij vertalen dat naar het niveau van componenten en vervolgens naar transistoren. Het mooie is dat klanten tot tien keer minder code nodig blijken te hebben om een chip te specificeren dan bij een synchroon ontwerp. Zo dragen we ook bij aan de productiviteit bij de klant.’

Tot de voordelen van asynchrone chips hoort ook dat er veel minder elektromagnetische straling wordt afgegeven. Dat betekent minder potentiële interferentie met andere elektronica.

Een van Handshakes grote klanten is Philips zelf. Het bedrijf gebruikt de klokloze technologie veel in smartcards (contactloze credit cards, toegangspasjes). Ook in enkele prototypes van elektronische paspoorten, die momenteel in de testfase verkeren, zitten asynchrone chips. Een moderne auto heeft er al gauw een stuk of dertig.

De centrale controller in die auto heeft echter weer wel een klok. De technologie van Handshake, resultaat van twintig jaar werk bij Philips Research, is namelijk sterk in laag energieverbruik en lage productiekosten, maar rekenmonsters levert het vooralsnog niet op. Peeters benadrukt dat die beperking niet inherent is aan de technologie. In principe zou asynchroon zelfs sneller kunnen zijn, omdat er niet nodeloos gewacht wordt op slome signalen. Enkele bedrijfjes in Amerika studeren daar momenteel op.

Handshake zelf probeert zijn reikwijdte langzaam uit te breiden vanuit de bestaande basis. Het is misschien minder spectaculair om te proberen de centrale controller voor de auto te leveren, maar het is geen geringe markt. En de markt voor andere mobiele processoren, bijvoorbeeld in telefoons, mp3-spelers en camera’s, valt ook niet te versmaden.

Voor dat doel sloot Handshake onlangs een overeenkomst met ARM, een vooraanstaande Britse fabrikant van embedded processoren die al eerder met asynchrone ontwerpen experimenteerde. Samen gaan ze een 32-bits RISC-processor ontwerpen. De functionaliteit daarvan mag niet onderdoen voor vergelijkbare processoren die ARM al levert. Bovendien moeten ze naadloos in een synchrone omgeving in te passen zijn. Het duo heeft al een grote klant, waarvan de identiteit niet bekend gemaakt is. De eerste exemplaren van de nieuwe processor zullen eind volgend jaar op de markt verschijnen, onzichtbaar ingebouwd.

‘We doen kleine stapjes vooruit’, zegt Peeters. ‘De voordelen die wij bieden zijn voor klanten te behalen binnen de reeds door hen gebruikte standaard aanpak, want anders zou overschakelen teveel moeite en mankracht kosten.’