Hazard-free clock synchronization

Abstract

The growing complexity of microprocessors makes it infeasible to distribute a single clock source over the whole processor with a small clock skew. Hence, chips are split into multiple clock regions, each covered by a single clock source. This poses a problem for communication between these clock regions. Clock synchronization algorithms promise an advantage over state-of-the-art solutions, such as GALS systems. When clock regions are synchronous the communication latency improves significantly over handshake-based solutions. We focus on the implementation of clock synchronization algorithms. A major obstacle when implementing circuits on clock domain crossings are hazardous signals. We can formally define hazards by extending the Boolean logic by a third value u. In this thesis, we describe a theory for designing and analyzing hazard-free circuits. We develop strategies for hazard-free encoding and construction of hazard-free circuits from finite state machines. Furthermore, we discuss clock synchronization algorithms and a possible combination of them. In the end, we present two implementations of the GCS algorithm by Lenzen, Locher, and Wattenhofer (JACM 2010). We prove by rigorous analysis that the systems implement the algorithm. The theory described above is used to prove that our clock synchronization circuits are hazard-free (in the sense that they compute the most precise output possible). Simulation of our GCS system shows that it achieves a skew between neighboring clock regions that is smaller than a few inverter delays.

Aufgrund der zunehmenden Komplexität von Mikroprozessoren ist es unmöglich, mit einer einzigen Taktquelle den gesamten Prozessor ohne großen Versatz zu takten. Daher werden Chips in mehrere Regionen aufgeteilt, die jeweils von einer einzelnen Taktquelle abgedeckt werden. Dies stellt ein Problem für die Kommunikation zwischen diesen Taktregionen dar. Algorithmen zur Taktsynchronisation bieten einen Vorteil gegenüber aktuellen Lösungen, wie z.B. GALS-Systemen. Synchronisiert man die Taktregionen, so verbessert sich die Latenz der Kommunikation erheblich. In Schaltkreisen zwischen zwei Taktregionen können undefinierte Signale, sogenannte Hazards auftreten. Indem wir die boolesche Algebra um einen dritten Wert u erweitern, können wir diese Hazards formal definieren. In dieser Arbeit zeigen wir eine Methode zum Entwurf und zur Analyse von hazard-freien Schaltungen. Wir entwickeln Strategien für Kodierungen die Hazards vermeiden und zur Konstruktion von hazard-freien Schaltungen. Darüber hinaus stellen wir Algorithmen Taktsynchronisation vor und wie diese kombiniert werden können. Zum Schluss stellen wir zwei Implementierungen des GCS-Algorithmus von Lenzen, Locher und Wattenhofer (JACM 2010) vor. Oben genannte Mechanismen werden verwendet, um formal zu beweisen, dass diese Implementierungen korrekt sind. Die Implementierung hat keine Hazards, das heißt sie berechnet die bestmo ̈gliche Ausgabe. Anschließende Simulation der GCS Implementierung erzielt einen Versatz zwischen benachbarten Taktregionen, der kleiner als ein paar Gatter-Laufzeiten ist.