Синтез самосинхронных схем в базисе БМК

Плеханов Л. П., Денисов А. Н., Дьяченко Ю. Г., Степченков Ю. А., Мамонов Д. И., Степченков Д. Ю. Синтез самосинхронных схем в базисе БМК // Наноиндустрия, 2020. № S96-2. С. 460-470.

DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.3s.460.470. Индексируется в РИНЦ.
ISSN: 1993-8578, eISSN: 2687-0282, Elibrary

Аннотация: Данный доклад посвящен разработке средств автоматизированного синтеза самосинхронных (CC) схем. Рассматриваются особенности реализации СС-схем. Предложен маршрут проектирования цифровых СС СБИС. Описана интеграция разрабатываемых средств в стандартную САПР синхронных СБИС («Ковчег»), обеспечивающая эффективное проектирование действительно СС-схем.

Abstract: This report is devoted to the development of software for automated synthesis of the self-timed (ST) circuits. Peculiarities of the ST circuit implementation have been discussed, and digital ST VLSI design flow has been offered. Besides, the report highlights an integration of the suggested tools into standard synchronous VLSI CAD (“Kovcheg”), which provides the effective design of real ST circuits.

Самосинхронные схемы как база создания высоконадежных высокопроизводительных компьютеров следующего поколения

А. А. Зацаринный, Ю. А. Степченков, Ю. Г. Дьяченко, Ю. В. Рождественский. Самосинхронные схемы как база создания высоконадежных высокопроизводительных компьютеров следующего поколения // Математическое моделирование в материаловедении электронных компонентов. ММMЭК–2020. 19–20 октября 2020 г., Москва: Материалы II Международной конференции. – Москва : МАКС Пресс, 2020. – С 114-116.
ISBN 978-5-317-06483-9
DOI: https://doi.org/10.29003/m1506.ММMSEC-2020

Аннотация: В работе предлагаются конструктивные и схемотехнические решения для реализации высокопроизводительных компьютеров следующего поколения. Они основаны на методологии проектирования самосинхронных схем и обеспечивают повышение устойчивости вычислительных систем к логическим сбоям, являющимся следствием наведенных помех и радиационного воздействия.

Повышение сбоеустойчивости индикации самосинхронных схем

Ю. А. Степченков, Ю. Г. Дьяченко, Ю. В. Рождественский, Н. В. Морозов, Д. Ю. Степченков, Д. Ю. Дьяченко. Повышение сбоеустойчивости индикации самосинхронных схем // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем — 2020. Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. М.: ИППМ РАН, 2020. Выпуск 2. С. 66-72.
DOI: 10.31114/2078-7707-2020-2-66-72

Аннотация: Сложность и площадь топологической реализации индикаторной подсхемы самосинхронной (СС) схемы составляют до 50% от сложности и площади всей СС-схемы. Соответственно, вероятности появления кратковременного логического сбоя, вызываемого ионизационным током из-за внешних причин, в индикаторной подсхеме и в остальной части СС-схемы примерно одинаковы. Сбоеустойчивость индикаторной подсхемы определяется ее иммунностью к логическому сбою в индицируемой СС-схеме и сбоеустойчивостью основного компонента индикации – гистерезисного триггера (Г-триггера). Использование DICE реализации Г-триггера существенно повышает сбоеустойчивость индикаторной подсхемы. В статье предлагается заменить двухтранзисторный конвертор в DICE-реализации Г-триггера четырехтранзисторным конвертором и использовать Г-триггеры с синфазными входами и выходом для организации «дерева» индикаторных элементов, формирующих общий индикаторный выход СС-схемы из частичных индикаторных сигналов. В совокупности с элементами «равнозначность» или «неравнозначность» в качестве первого каскада индикаторной подсхемы такой подход обеспечивает абсолютную защиту от логического сбоя в индикаторной подсхеме и анти-спейсера в индицируемой схеме.

Abstract: Adverse external influences (nuclear particles, cosmic rays, electromagnetic impulses) and internal disturbances (interference from adjacent signal traces, noises on power buses, and substrate) give rise to long-term (memory bit upset) and short-term (soft error) effects that affect digital circuit performance. Clock frequency rising increases the likelihood of writing soft error to synchronous register and makes synchronous circuits more sensitive to soft errors. An alternative to synchronous circuits are the self-timed ones. They are more immune to the soft errors due to dual-rail data coding and switching completion indication ensuring handshaking between their parts. The self-timed circuit’s indication sub-circuit occupies 25% through 50% of the entire self-timed circuit’s hardware and layout area. So, short-term soft errors, caused by ionization events and interference inductions, appear in the indication subcircuit with a probability comparable to the soft error appearance probability in the self-timed circuit rest part. Indication subcircuit soft error tolerance depends on its immunity to soft errors in the indicated self-timed circuit and failure protection of Muller’s C-element that is an indication base component. XOR and XNOR cells at the indication subcircuit first stage mask so-called anti-spacer state that is one-third part of the soft errors appeared in indicated circuits. Dual interlocked C-element implementation increases the indication subcircuit failure tolerance, but not sufficiently. The article proposes to replace the two-transistor converter in the dual interlocked C-element with a four-transistor converter and to use C-elements with in-phase inputs and output for building an indication “tree” combining all partial indication signals into a total one. Together with the XOR cell at the indication subcircuit first stage, the proposed approach provides an absolute protection against both soft errors in indication subcircuit and anti-spacer in the indicated self-timed circuit.

Метод повышения быстродействия самосинхронного умножителя

Ю. В. Рождественский, Ю. А. Степченков, Ю. Г. Дьяченко, Н. В. Морозов, Д. Ю. Степченков, Д. Ю. Дьяченко. Метод повышения быстродействия самосинхронного умножителя // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем — 2020. Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. М.: ИППМ РАН, 2020. Выпуск 1. С. 82-88.
DOI: 10.31114/2078-7707-2020-1-82-88

Аннотация: Быстродействие самосинхронных (СС) схем в значительной степени определяется их индикаторной подсхемой. Особенно остро эта проблема стоит в многоразрядных вычислительных СС-схемах, в том числе, в умножителе. Классическая индикация предполагает формирование общего индикаторного выхода для всей СС-схемы, участвующего в запрос-ответном взаимодействии СС-устройств или ступеней СС-конвейера. Многоразрядные СС-схемы, реализующие алгоритмы обработки данных с высокой степенью параллелизма, допускают использование групповой индикации выходов СС-схемы с формированием поразрядных сигналов управления фазами их входов. Статья описывает метод ускорения работы индикаторной подсхемы применительно к СС-умножителю, реализующему модифицированный алгоритм Бута и использующему двухступенчатое «дерево» Уоллеса на сумматорах с избыточным (троичным) и парафазным СС-кодированием их входов и выходов. Поразрядное управление входами обеих ступеней конвейера «дерева» Уоллеса обеспечили повышение быстродействия СС-умножителя 54*54 на 40% за счет увеличения его аппаратных затрат на 2,3-2,5%.

Abstract: Self-timed (ST) circuit’s indication subcircuit largely determines its performance. This problem is especially acute in multi-bit computing ST circuits, including multiplier. The classical indication involves generating an entire ST circuit total indication output, which takes part in handshaking ST units or ST pipeline stages. Multi-bit ST circuits that implement data processing algorithms with a high parallelism degree allow the use of group indication of the ST circuit outputs resulting in bitwise signals controlling their inputs’ phase. The article describes a method of accelerating the indication subcircuit operation as applied to the ST-multiplier, which implements the modified Booth algorithm and uses the two-stage Wallace tree on adders with redundant (ternary) and dual-rail ST-coding of their inputs and outputs. Group indication and bitwise input control of both Wallace tree pipeline stages provide an increase in ST-multiplier performance by 40% with a penalty of 2.3-2.5% in its hardware.

Increasing Self-Timed Circuit Soft Error Tolerance

Igor Sokolov, Yury Stepchenkov, Yury Diachenko, Yury Rogdestvenski, Denis Diachenko. Increasing Self-Timed Circuit Soft Error Tolerance // 2020 IEEE EAST-WEST DESIGN & TEST SYMPOSIUM Varna, Bulgaria, September 4 – 7, 2020, P. 450-454 . (is indexed in Scopus).

DOI: 10.1109/EWDTS50664.2020.9224705

Abstract: Indication subcircuit is an essential part of the selftimed circuits. It provides acknowledgment of the self-timed circuit switching completion and ensures correct handshake interaction between functional blocks. Besides, indication subcircuit complexity is comparable with the indicated self-timed circuit’s complexity. So short-term soft errors, induced by the external and internal causes in both the indication subcircuit and the indicated self-timed circuit, are equally dangerous. Indication subcircuit soft error tolerance depends, the first, on its immunity to soft errors in the indicated self-timed circuit and, the second, on its failure protection. The first aspect becomes lower critical due to the XOR cell on the first stage of the indication subcircuit. An appropriate circuitry basis decreases indication subcircuit sensitivity to the possible soft errors induced in it. Static and semistatic Muller’s C-element is a traditional base component used for indication purposes. Its dual interlocked implementation improves the indication subcircuit failure protection against soft errors in its internal nodes, but not sufficiently. The article proposes a new C-element’s schematic that fully tolerates it against the soft errors in all internal nodes. Besides, using Celements with in-phase inputs and output in an indication pyramid ensures indication subcircuit protection against soft errors induced at the output of the C-elements. The proposed approach makes an indication subcircuit fully protected against all soft errors induced in it.

Дополнительную информацию о содержании доклада вы можете получить на сайте конференции или связавшись с авторами доклада / You can get additional information on the content of the article on the conference website or by contacting the authors of the article.

Self-Timed Circuitry Retrospective

Victor Zakharov, Yury Stepchenkov, Yury Diachenko, Yury Rogdestvenski. Self-Timed Circuitry Retrospective // 2020 International Conference Engineering Technologies and Computer Science EnT 2020 Moscow, Russia24-27 June 2020. P. 58-64. (indexed in Scopus).
DOI: 10.1109/EnT48576.2020.00018

Abstract: The paper compares synchronous and self-timed methodologies for designing digital circuits. Self-timed circuits proposed by D. Muller in the mid-twentieth century have several advantages over synchronous counterparts. They maintain functional performance at any cell delays, do not require global synchronization, and identify constant failures. The data redundancy and associated hardware redundancy provide these self-timed circuit properties. The practical design of self-timed units of varying complexity has proven the effectiveness of self-timed solutions, especially in highly reliable and fault-tolerant applications. The paper presents the resultsof comparative measurements of test chips of synchronous and self-timed circuits, the performance, and immunity evaluations of self-timed circuits of different complexity levels. The proposed method of group indication of multi-bit self-timed circuits increases their performance by 40% due to a slight increase (less than 3%) in hardware complexity.

Аннотация: Статья посвящена сравнению синхронной и самосинхронной методологий проектирования цифровых микросхем. Самосинхронные схемы, предложенные Маллером Д. в середине двадцатого века, обладают рядом преимуществ по сравнения с синхронными аналогами. Они сохраняют функциональную работоспособность при любых задержках элементов, не требуют глобальной синхронизации, выявляют константные неисправности. Эти свойства самосинхронных схем обеспечиваются избыточным кодированием данных и связанной с ним аппаратной избыточностью. Практическая разработка самосинхронных устройств разной сложности доказала эффективность самосинхронных решений, особенно в высоконадежных и отказоустойчивых применениях. Статья приводит результаты сравнительных испытаний тестовых кристаллов синхронных и самосинхронных схем, оценки быстродействия и иммунности самосинхронных схем разного уровня сложности. Предложенный метод групповой индикации многоразрядных самосинхронных схем повышает их быстродействие на 40% за счет незначительного увеличения (менее 3%) аппаратных затрат.

Дополнительную информацию о содержании доклада вы можете получить на сайте конференции или связавшись с авторами доклада / You can get additional information on the content of the article on the conference website or by contacting the authors of the article.

Improvement of the Quasi Delay-Insensitive Pipeline Noise Immunity

Yuri Stepchenkov, Anton Kamenskih, Yuri Diachenko,Yuri Rogdestvenski, and Denis Y. Diachenko. Improvement of the Quasi Delay-Insensitive Pipeline Noise Immunity // The 11th International Conference on Dependable Systems, Services and Technologies (DESSERT’2020) Ukraine, Kyiv, May 14-18, 2020, P. 47-51. (indexed in Scopus).
DOI: 10.1109/DESSERT50317.2020.9125021

Abstract: the paper examines the immunity of Quasi Delay-Insensitive (QDI) circuits to soft errors caused by noises. The considered noise sources are internal and external events: layout wires crosstalk, interference on the power and ground buses, electromagnetic pulse. The paper suggests using the failsafe QDI circuits discipline and layout methods that reduce dual-rail signal sensitivity to noises. Indication of dual-rail signal forbidden state as a spacer increases QDI circuits immunity to soft errors. Using a modified C-element to implement a pipeline stage register bit reduces the danger of the pipeline deadlock. It improves the immunity of the QDI pipeline to the noise soft errors by 11% (up to 97.8%).

Аннотация: Статья исследует устойчивость квази-нечувствительных к задержкам (Quasi Delay-Insensitive, QDI) схем к логическим сбоям, вызванным шумами. Источником рассматриваемых шумов являются внутренние и внешние события: перекрестные наводки трасс в топологии, наводки по шинам питания и земли, электромагнитный импульс. Статья предлагает использовать сбоеустойчивую дисциплину QDI схем и топологические методы, снижающие чувствительность парафазных сигналов к шумам. Индикация запрещенного состояния парафазного сигнала как спейсера обеспечивает повышение устойчивости QDI схем к логическим сбоям. Использование модифицированного С-элемента для реализации разряда регистра ступени конвейера снижает опасность критического останова конвейера и улучшает устойчивость QDI конвейера к шумовым логическим сбоям на 11% (до 97.8%).

Дополнительную информацию о содержании доклада вы можете получить на сайте конференции или связавшись с авторами доклада / You can get additional information on the content of the article on the conference website or by contacting the authors of the article.

Self-Timed Multiply-add-subtract Unit Alternates

Yury A. Stepchenkov, Yury G. Diachenko, Yury V. Rogdestvenski, Denis Y. Diachenko, Yury I. Shikunov.  Self-Timed Multiply-add-subtract Unit Alternates // 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus) Moscow, Russia, January 27-30, 2020. — IEEE, P. 1864-1868. (indexed in Scopus).
DOI: 10.1109/EIConRus49466.2020.9039039

Abstract: Paper presents the results of a study of the selftimed fused multiply-add-subtract unit (FMAS) alternates. All FMAS alternates comply with the IEEE 754 standard and use the modified Booth algorithm to multiply two input 64-bit operands, followed by the addition and subtraction of the third operand. They differ from each other by internal signals self-timed coding: dual-rail, redundant ternary, or redundant quaternary code. The paper analyzes and compares their features, offers their optimized pipeline implementations and recommendations for their use. FMAS alternates have approximately the same performance but different hardware costs and layout sizes.

Аннотация: Представлены результаты исследования вариантов самосинхронного устройства умножения с последующим сложением и вычитанием (УСВ). Все варианты УСВ соответствуют стандарту IEEE 754 и используют модифицированный алгоритм Бута для умножения двух входных 64-разрядных операндов с последующим сложением-вычитанием третьего операнда. Они отличаются друг от друга кодированием внутренних сигналов: парафазным, избыточным троичным или избыточным четверичным кодом. Статья анализирует и сравнивает их свойства, предлагает их оптимизированные конвейерные реализации и рекомендации по их применению. УСВ варианты имеют примерно одинаковую производительность, но различные аппаратурные затраты и размеры топологии.

Дополнительную информацию о содержании доклада вы можете получить на сайте конференции или связавшись с авторами доклада / You can get additional information on the content of the article on the conference website or by contacting the authors of the article.

Fault-Tolerance of the Self-Timed Circuits

Yuri A. Stepchenkov, Anton N. Kamenskih, Yuri G. Diachenko, Yuri V. Rogdestvenski, and Denis Y. Diachenko. Fault-Tolerance of the  Self-Timed Circuits  // 2019 10th International Conference on Dependable Systems, Services and Technologies (DESSERT). (indexed in Scopus).
DOI: 10.1109/DESSERT.2019.8770047.

Abstract: the paper discusses a fault-tolerance problem for digital integrated circuits. Due to their properties, self-timed circuits, unlike synchronous counterparts, are immune towards the greater part of the short-term logical faults. Indication of an illegal state of the dual-rail signal as second spacer increases fault-tolerance of the combinational selftimed circuits up to 82%. Self-timed triggers, due to their indication features, are immune to 44% logical faults. The use of special methods of doubling transistors and bistable cells, which are the basis of the self-timed triggers, enhances their fault-tolerance up to 80%.

Аннотация: Статья посвящена проблеме надежности цифровых интегральных микросхем. Благодаря своим свойствам, самосинхронные схемы, в отличие от синхронных аналогов, иммунны по отношению к большей части кратковременных логических сбоев. Реализация индикации запрещенного состояния парафазного сигнала как второго спейсера повышает сбоеустойчивость комбинационных самосинхронных схем до 82%. Самосинхронные триггеры, благодаря своей индикации, невосприимчивы к 44% логических сбоев. Использование специальных методов дублирования транзисторов и RS-триггеров, составляющих основу самосинхронных триггеров, обеспечивает повышение их сбоеустойчивости до уровня 80%.

Дополнительную информацию о содержании доклада вы можете получить на сайте конференции или связавшись с авторами доклада / You can get additional information on the content of the article on the conference website or by contacting the authors of the article.

Delay-Insensitive Floating Point Multiply-Add-Subtract Unit

I.A. Sokolov, Y.V. Rogdestvenski, Y.G. Diachenko, Y.A. Stepchenkov, N.V. Morozov, D.Y. Stepchenkov, D.Y. Diachenko. Delay-Insensitive Floating Point Multiply-Add-Subtract Unit / Problems of Advanced Micro- and Nanoelektronic Systems Development – 2019, Issue III, Moscow, IPPM RAS, P. 20-25. (is indexed in Scopus).
DOI: 10.31114/2078-7707-2019-3-20-25

Abstract: The subject of this paper is a floating point unit implementing fused multiply-add-subtract operation. It be-longs to the delay-insensitive self-timed (ST) circuits which do not depend on delays both in cells and on wires. It is fully compliant with IEEE 754 Standard and processes both a sum and difference between product of first two operands and third operand. Each 64-bit input operand contains either one double precision number, or two single precision numbers. Thus presented unit calculates either one operation with double precision numbers, or two simultaneous operations with single precision numbers. Multiplier utilizes modified Booth algorithm. In order to increase its performance, it is divided into two pipeline stages with accelerated forced switching to spacer phase. Booth encoder circuit is integrated into an input FIFO. FIFO is implemented as a register file with an output multiplexer and read/write address counters. Using ternary redundant ST code for multiplying, adding and subtracting provides reduction of unit’s complexity. Indication subcircuit considers the constrains imposed by an isochronous area for chosen fabrication technology. For de-creasing energy consumption, the fused multiply-add-subtract unit implements one-channel pipeline. The unit is designed for 65-nm CMOS bulk technology using an indus-trial standard cell library supplemented by self-timed cells. It provides 3 Gflops performance and 2.9-ns latency.