摘要：回顾了异步集成电路设计发展的历史，阐述了当前异步集成电路重新引起重视的原因，总结了异步集成电路的优势，并对异步集成电路设计方法进行了简要地概括，介绍了实用的异步集成电路芯片，最后分析了异步集成电路面临的挑战，并揭示了它今后的发展方向。
关键词：异步集成电路；集成电路设计；设计方法

1 引言

集成电路设计之初，并没有同步和异步的区别，研究的重点在于“mechanical relay circuits”[1]。70年代后，同步设计因为概念简单、设计方便，逐渐成为设计的主流方案。在这一时期，异步集成电路的研究仅仅停留在理论上，研究的出发点也仅仅是它与同步电路不同。90年代初期，同步电路设计仍然占据着数字集成电路设计领域的主导地位，但是由于电路设计规模的扩大和生产工艺的限制，原先可以忽略的互连线之间的延迟、时钟树的负载等已经变得越发突出。设计方法上也面临着很多难以解决的问题（比如，时钟skew问题）。这时，异步电路设计方法重新引起了设计者的重视，与先前为纯粹追求不同的理论而进行的研究已经大不相同，在一定程度上，已经可以作为实际应用中的理论依据和CAD辅助工具。在应用方面，一些面向商业应用的异步集成芯片的出现也有力地证明了异步集成电路在某些方面存在的优势。

2 发展历程

2.1 创建理论基础

50年代是组合逻辑和有限状态机时序电路时代。异步电路的研究开始是从分析时序电路的输入约束条件开始的，这也是当时开关理论研究领域中的一部分。Huffman首先指出，为了使一个时序电路能分辨出输入的变化，要求这个电路的输入信号之间必须有一个最小的时间间隔。也就是说，存在两个时间段d1和d2，其中d1＜d2。当输入信号之间间隔小于 d1时，不能被电路分辨出来；当间隔大于d2时，才可以分辨；当间隔大于d1而小于d2时，会导致时序电路功能的不确定。基于这种分析出现的一类电路形式称为Huffman电路。

同一时期，Muller[2,3]提出了另外的一类电路形式，与现在的异步电路形式极为接近。实际上，他提出了使用完成信号，对于Muller电路，仅仅在完成信号有效后，输入信号才允许发生变化。

2.2 创建应用基础

Huffman和Muller的先导工作，激起了开关电路领域对异步电路的广泛研究。其中，Unger[4]的工作是最有创造性的。他给出了设计单输入变化异步时序电路的详细方法，并提出多输入变化电路设计时，需要考虑的一些因素。他的工作对随后异步电路的实用化产生了很大的影响。例如，几个早期的主流计算机MU-5和Atlas[5]是完全用异步电路实现的异步系统。

60年代，一项重要的工作是Macromodule Project，它有力地证明了异步电路模块在组合构成系统时模块化带来的优势。当时创建了一组数字模块，用这组模块不仅可以很快地组建成通用计算机，而且可以用于构建专用计算机。这个计划的研究成果给后来大量模块化的设计方法奠定了重要的基础。

另一项有价值的开创性工作来自Chuck Seitz。他提出了使用Petri网作为设计和分析异步电路的体系。其后，他在Utah大学和CalTech的教学过程，引发一大批学生对异步电路产生了浓厚的兴趣。他的影响促成了世界上首台异步Dataflow计算机和包含异步硬件的商用系统——Evans & Sutherland LDS-1（首台专用图形计算机）的出现。

2.3 VLSI时代异步系统的研究

70年代后期到80年代，由于工艺技术的发展，数字集成电路的设计规模从LSI向VLSI发展。同时，设计方法也面临着很多挑战，结束了半导体行业提供单个逻辑单元，由电路系统设计者利用这些单元进行逻辑设计，然后构成电路系统的设计流程。这一时期，由于同步集成电路的设计模型简单，设计方法统一，CAD工具日趋成熟，绝大部分设计、研究都集中在同步集成电路上，而异步电路的研究还仅仅局限于一些特殊模块和理论研究。

2.4 EDA时代

随着工艺技术的持续发展，最小线宽逐渐减小，同时单芯片的尺寸却逐渐增大。特别是进入深亚微米以后，连线延迟的影响越来越大，使同步设计中的时钟skew问题越来越难处理；芯片的密度和规模的增加，功耗问题给电池供电和散热都提出了更高的要求。

从80年代后期到90年代中后期，异步电路被重新引起重视。异步电路的复兴，由研究设计方法开始。设计方法的自动化为异步电路的实现提供有力的支持，出现了Locally-clocked machine、Tagram、3D-machine Micropipeline等较实用的设计模型和方法。利用这些方法设计出的异步集成电路AMULETⅠ、Ⅱ、Ⅲ验证了异步集成电路低功耗的优点 [6]，RAPPID则是异步集成电路在高性能方面的应用。

2.5 SoC时代

超大规模和低功耗是21世纪的一个突出问题。超大规模要求集成电路设计必须依靠EDA工具来完成，低功耗则要求采用新的系统和电路结构。异步集成电路在这方面的优势是功耗效率高、电路组织形式灵活，但主要的问题是缺乏固定的设计流程和设计工具。

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