摘要：回顧了異步集成電路設計發展的歷史，闡述了當前異步集成電路重新引起重視的原因，總結了異步集成電路的優勢，并對異步集成電路設計方法進行了簡要地概括，介紹了實用的異步集成電路芯片，最后分析了異步集成電路面臨的挑戰，并揭示了它今后的發展方向。
關鍵詞：異步集成電路；集成電路設計；設計方法

1 引言

集成電路設計之初，并沒有同步和異步的區別，研究的重點在于“mechanical relay circuits”[1]。70年代后，同步設計因為概念簡單、設計方便，逐漸成為設計的主流方案。在這一時期，異步集成電路的研究僅僅停留在理論上，研究的出發點也僅僅是它與同步電路不同。90年代初期，同步電路設計仍然占據著數字集成電路設計領域的主導地位，但是由于電路設計規模的擴大和生產工藝的限制，原先可以忽略的互連線之間的延遲、時鐘樹的負載等已經變得越發突出。設計方法上也面臨著很多難以解決的問題（比如，時鐘skew問題）。這時，異步電路設計方法重新引起了設計者的重視，與先前為純粹追求不同的理論而進行的研究已經大不相同，在一定程度上，已經可以作為實際應用中的理論依據和CAD輔助工具。在應用方面，一些面向商業應用的異步集成芯片的出現也有力地證明了異步集成電路在某些方面存在的優勢。

2 發展歷程

2.1 創建理論基礎

50年代是組合邏輯和有限狀態機時序電路時代。異步電路的研究開始是從分析時序電路的輸入約束條件開始的，這也是當時開關理論研究領域中的一部分。Huffman首先指出，為了使一個時序電路能分辨出輸入的變化，要求這個電路的輸入信號之間必須有一個最小的時間間隔。也就是說，存在兩個時間段d1和d2，其中d1＜d2。當輸入信號之間間隔小于 d1時，不能被電路分辨出來；當間隔大于d2時，才可以分辨；當間隔大于d1而小于d2時，會導致時序電路功能的不確定。基于這種分析出現的一類電路形式稱為Huffman電路。

同一時期，Muller[2,3]提出了另外的一類電路形式，與現在的異步電路形式極為接近。實際上，他提出了使用完成信號，對于Muller電路，僅僅在完成信號有效后，輸入信號才允許發生變化。

2.2 創建應用基礎

Huffman和Muller的先導工作，激起了開關電路領域對異步電路的廣泛研究。其中，Unger[4]的工作是最有創造性的。他給出了設計單輸入變化異步時序電路的詳細方法，并提出多輸入變化電路設計時，需要考慮的一些因素。他的工作對隨后異步電路的實用化產生了很大的影響。例如，幾個早期的主流計算機MU-5和Atlas[5]是完全用異步電路實現的異步系統。

60年代，一項重要的工作是Macromodule Project，它有力地證明了異步電路模塊在組合構成系統時模塊化帶來的優勢。當時創建了一組數字模塊，用這組模塊不僅可以很快地組建成通用計算機，而且可以用于構建專用計算機。這個計劃的研究成果給后來大量模塊化的設計方法奠定了重要的基礎。

另一項有價值的開創性工作來自Chuck Seitz。他提出了使用Petri網作為設計和分析異步電路的體系。其后，他在Utah大學和CalTech的教學過程，引發一大批學生對異步電路產生了濃厚的興趣。他的影響促成了世界上首臺異步Dataflow計算機和包含異步硬件的商用系統——Evans & Sutherland LDS-1（首臺專用圖形計算機）的出現。

2.3 VLSI時代異步系統的研究

70年代后期到80年代，由于工藝技術的發展，數字集成電路的設計規模從LSI向VLSI發展。同時，設計方法也面臨著很多挑戰，結束了半導體行業提供單個邏輯單元，由電路系統設計者利用這些單元進行邏輯設計，然后構成電路系統的設計流程。這一時期，由于同步集成電路的設計模型簡單，設計方法統一，CAD工具日趨成熟，絕大部分設計、研究都集中在同步集成電路上，而異步電路的研究還僅僅局限于一些特殊模塊和理論研究。

2.4 EDA時代

隨著工藝技術的持續發展，最小線寬逐漸減小，同時單芯片的尺寸卻逐漸增大。特別是進入深亞微米以后，連線延遲的影響越來越大，使同步設計中的時鐘skew問題越來越難處理；芯片的密度和規模的增加，功耗問題給電池供電和散熱都提出了更高的要求。

從80年代后期到90年代中后期，異步電路被重新引起重視。異步電路的復興，由研究設計方法開始。設計方法的自動化為異步電路的實現提供有力的支持，出現了Locally-clocked machine、Tagram、3D-machine Micropipeline等較實用的設計模型和方法。利用這些方法設計出的異步集成電路AMULETⅠ、Ⅱ、Ⅲ驗證了異步集成電路低功耗的優點 [6]，RAPPID則是異步集成電路在高性能方面的應用。

2.5 SoC時代

超大規模和低功耗是21世紀的一個突出問題。超大規模要求集成電路設計必須依靠EDA工具來完成，低功耗則要求采用新的系統和電路結構。異步集成電路在這方面的優勢是功耗效率高、電路組織形式靈活，但主要的問題是缺乏固定的設計流程和設計工具。

SoC設