QUELQUES MOTS CLES ET DEFINITIONS.

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1 CH. 2 QUELQUES MOTS CLES ET DEFINITIONS. ASIC : Application Spécific Integrated Circuit = HW circuit intégré pour application spécifique SOC : System On Chip = HW et SW Système sur puce IP : FPGA : CAD : Intellectual Propertie (bloc IP ou «IP core») ou Composant virtuel propriété intellectuelle Field Programmable Gate Array réseau de portes programmables Computer Assisted Design Conception assistée par ordinateur (CAO) Prototypage rapide (de SOC) : Réalisation d un modèle sous forme matérielle / logicielle d un circuit (maquette) Simulation : Réalisation d un modèle virtuel d une architecture 3 niveaux : niveau électrique, niveau logique, et niveau comportemental Réutilisation (Reuse) : Technique de réutilisation de composants virtuels ( blocs IP) pour CAO de SOC "Time to market" : Répondre le plus vite possible aux besoins du marché

2 Circuits Intégrés: classification PROCESSEUR M E M M E M ASIC ASIC CIRCUITS STANDARDS ASIC ASIC SEMI-SPECIFIQUES -- CIRCUITS PROGRAMMABLES (CPLD, (CPLD, EPLD, EPLD, FPGA,...) FPGA,...) -- MATRICES PREDIFFUSEES ( Gate ( Gate array, sea array, sea of of gates ) gates ) Masques de personnalisation ASIC ASIC SPECIFIQUES -- CIRCUITS (cellules) SUR SUR MESURE ( full ( full custom ) custom ) -- CIRCUITS PRE-CARACTERISES ( cell ( cell based, standard based, standard cell ) cell ) -- SYSTEMES SUR SUR PUCE, PUCE, (SOC, (SOC, System on on a chip ) chip ) construits par par assemblage de de composants «virtuels virtuels» (IP) (IP) Plaquette (Wafer) Circuits hybrides, MCM (Multi Chip Module) SIP Micro-sytèmes (capteur, traitement, actionneur)

3 CIRCUITS LOGIQUES PROGRAMMABLES COMPOSANTS STANDARDS PROGRAMMABLES UNE UNE SEULE SEULE FOIS FOIS (FUSIBLES) OU OU RE-PROGRAMMABLES (RECONFIGURATION) PRINCIPE DES DES ARCHITECTURES: REALISATION DE DE FONCTIONS BOOLEENNES SOUS SOUS FORME D UNE D UNE SOMME LIMITEE DE DE MONOMES (PAL,PLD, EPLD,...) OU OU D UN D UN RESEAU DE DE CELLULES (FPGA) TECHNOLOGIES DE DE PROGRAMMATION :: FUSIBLES (METALLISATION)), ANTIFUSIBLES (CAPACITE MOS), MOS), TRANSISTOR MOS MOS A GRILLE FLOTANTE (EPLD), RAM RAM STATIQUE (FPGA-SRAM) OUTILS DE DE CONCEPTION :: PROGRAMMATION AUTOMATIQUE A PARTIR D UN D UN SCHEMA OU OU D UN D UN FICHIER DE DE DESCRIPTION AVANTAGES AVANTAGES : : COMPOSANTS COMPOSANTS EN EN STOCK STOCK DISPONIBLES DISPONIBLES AVANT AVANT LA LA CONCEPTION CONCEPTION QUANTITES QUANTITES ECONOMIQUES ECONOMIQUES FAIBLES FAIBLES INCONVENIENTS INCONVENIENTS : : PERFORMANCES PERFORMANCES LIMITEES LIMITEES (VITESSE, (VITESSE, DENSITE DENSITE D INTEGRATION,...) D INTEGRATION,...) PRIX PRIX UNITAIRE UNITAIRE ELEVE ELEVE POUR POUR DES DES SERIES SERIES IMPORTANTES IMPORTANTES LES LES CIRCUITS PROGRAMMABLES SONT SONT ADAPTES AUX AUX PETITES SERIES, AU AU DEVELOPPEMENT DE DE PROTOTYPES, A LA LA MISE MISE AU AU POINT POINT D UNE D UNE SPECIFICATION

4 MATRICE - CIRCUIT PREDIFFUSE (Gate Array) PRE-FABRICATION PARTIELLE DES PLAQUETTES PAR LE FONDEUR MATRICE = RESEAU DE TRANSISTORS IMPLANTES SANS CONNEXION UNE MATRICE EST CARACTERISEE PAR SON NOMBRE DE PLOTS ET DE TRANSISTORS. LA SURFACE EST FIGEE. CONCEPTION A PARTIR D UNE BIBLIOTHEQUE. RESULTAT: DESSIN DES NIVEAUX DE CONNEXION (contacts, métaux) FABRICATION : MASQUES METAL (1,2,..) ET CONTACTS, FIN DE FABRICATION DES PLAQUETTES, PUIS ENCAPSULATION TOPOLOGIE : BANDES DE CELLULES DE HAUTEUR FIXE SEPAREES PAR DES CANAUX DE ROUTAGE

5 Topologie d un circuit prédiffusé Plots rangées étage (a) Avant conception colonnes (b) Aprés conception canal de routage métal 2 métal 1

6 CIRCUIT PREDIFFUSE (SEA OF GATES) TOPOLOGIE mer de transistors ( sea of gates channelless ) : - AUGMENTATION DE LA DENSITE D INTEGRATION EN SUPPRIMANT LES ZONES FIGEES DE CELLULES ET DE CANAUX DE ROUTAGE BLOCS REGULIERS : GRAND NOMBRE DE CELLULES ET SURFACE DE ROUTAGE FAIBLE LOGIQUE ALEATOIRE : ZONE DE ROUTAGE EN GENARAL IMPORTANTE MATRICE INITIALE CIRCUIT PROGRAMME

7 PREDIFFUSE TYPE DE CIRCUIT : NUMERIQUE, ANALOGIQUE, MIXTE CONCEPTION D UN CIRCUIT NUMERIQUE = SAISIE (SCHEMA,VHDL,..), SIMULATION, PLACEMENT-ROUTAGE, VERIFICATIONS CAO + LIBRAIRIE AVANTAGES : - CYCLE DE FABRICATION COURT, QUALITE (TEST) - COUT (VOLUME DE FABRICATION DE PLAQUETTES STANDARDS ) - CONCEPTION SYSTEME AUTOMATISEE A PARTIR D UNE BIBLIOTHEQUE INCONVENIENTS : - COMPLEXITE LIMITEE PAR LA TAILLE DU RESEAU - DENSITE D INTEGRATION FAIBLE, PEU DE SOUPLESSE, OPTIMISATION DES PERFORMANCES QUANTITES ECONOMIQUES :...

8 CIRCUIT PRECARACTERISE ELEMENTAIRE ( standard cell ) CONCEPTION A L AIDE D UNE LIBRAIRIE DE CELLULES PRE- CARACTERISEES (SPECIFICATIONS FONDEUR CONNUES) TOPOLOGIE EN BANDE : ASSEMBLAGE DE CELLULES EN RANGEES DE MEME LARGEUR, SEPAREES PAR DES CANAUX DE ROUTAGE DE LARGEURS VARIABLES LA COMPLEXITE EST LIMITEE PAR LA SURFACE DU CIRCUIT AVANTAGES : - MEILLEURE DENSITE ET PLUS DE SOUPLESSE QUE LE PREDIFFUSE (PAS DE PRE-IMPLANTATION DE COMPOSANTS) INCONVENIENTS : - COUT DE FABRICATION DE L ENSEMBLE DES MASQUES ET DES PLAQUETTES - LIMITATIONS DES LIBRAIRIES DE CELLULES

9 Circuit précaractérisé : principes Description du circuit Bibliothèque DFF NAND 3 INV XXX E S E/S Vcc CAO + LIBRAIRIE CELLULES PLOTS INV Vss Vcc NOR3 NAND2 H CELLULES Alimentation électrique des cellules CANAUX DE ROUTAGE DE LARGEUR VARIABLE

10 Exemple de réalisation : Chaîne d inverseurs VHDL, Schéma Simulation Placement routage Connect in Metal UTILISATEUR DE LA BIBLIOTHEQUE V DD Vcc et Gnd connectées Cellules aboutées

11 Topologie d un circuit précaractérisé CELLULES PRE-CARACTERISEES : - rectangulaires de hauteur fixe - connexions sur deux côtés ou dessus BLOCS COMPLEXES : - forme variable (rectangles,..) - connexions sur 4 côtés ou dessus Cellules canaux de routage TOPOLOGIE EN BANDES macrocellules Plots Cellules élémentaires

12 CIRCUIT PRECARACTERISE : TOPOLOGIE EVALUATION DE LA SURFACE : core Surface limitée par le coeur ( core limited ) Surface limitée par la périphérie ( I/O limited ) S = S =

13 CIRCUIT PRE-CARACTERISE MODULAIRE ( cell based ) UTILISATION DE BLOCS RECTANGULAIRES : - GENERATEURS PARAMETRABLES (RAM,ROM, MULTIPLIEURS,...) - MACRO-CELLULES COMPLEXES ANALOGIQUE OU NUMERIQUE (COEUR DE PROCESSEURS,...)

14 CIRCUIT INTEGRE COMPLEXE SUR MESURE ( FULL CUSTOM ) - RECHERCHE D UNE SOLUTION OPTIMALE EN TERME DE DENSITE ET DE PERFORMANCE, OBTENUE PAR UNE CONCEPTION SPECIFIQUE AUX NIVEAUX PHYSIQUES (ELECTRIQUE ET TOPOLOGIQUE - LAYOUT -) - APPROCHE DE CONCEPTION COUTEUSE RESERVEE A DES INGENIEURS EXPERIMENTES TRAVAILLANT A PARTIR DES DONNEES DU FONDEUR (REGLES DE DESSIN ET MODELES DES TRANSISTORS) - JUSTIFICATION : GRANDES SERIES, APPLICATIONS STRATEGIQUES OU DOMAINES SPECIFIQUES (ex : analogique) - FABRICATION DE L ENSEMBLE DES MASQUES ET DES PLAQUETTES - EVOLUTION : DU CIRCUIT sur mesure VERS LA CELLULE sur mesure V DD V ss

15 SYSTEMES SUR PUCE IP CONTEXTE INDUSTRIEL : COMPLEXITE CROISSANTE DES CI (technologies & architectures) et RENOUVELLEMENT DE GAMMES ACCELERES... RECHERCHE D UNE SOLUTION OPTIMALE EN TERME DE DENSITE, DE PERFORMANCE ET DE TEMPS DE CONCEPTION ( TIME TO MARKET ), OBTENUE PAR : - L UTILISATION D UNE BIBLIOTHEQUE DE CELLULES ET DE MACRO-CELLULES PARAMETRABLES ( CELL BASED ) - UNE CONCEPTION SPECIFIQUE ( FULL CUSTOM ) DE BLOCS AUX NIVEAUX PHYSIQUES (ELECTRIQUE ET TOPOLOGIQUE) SI NECESSAIRE (DENSITE, PERFORMANCES OU FONCTION ANALOGIQUE) - LA REUTILISATION ET L ASSEMBLAGE DE BRIQUES ( composants virtuels ) AU NIVEAU FONCTIONNEL OU PHYSIQUE ( LAYOUT ) FOURNIS PAR DES SOCIETES SPECIALISEES ET PROTEGEES PAR DES REGLES DE PROPRIETES INTELLECTUELLES ( IP)

16 ASIC : CONCLUSION TECHNOLOGIES PERFORMANTES ET STABLES (FONDEURS) LOGICIELS DE CAO BIBLIOTHEQUE DE CELLULES RE-UTILISATION DE BLOCS ASIC

17 STRATEGIE CRITERES DE CHOIX D UN ASIC : - COMPLEXITE, PERFORMANCES,... - TEMPS DE DEVELOPPEMENT (CONCEPTION, FABRICATION DES PROTOTYPES, MISE EN SERVICE DE L APPLICATION,...): TIME TO MARKET - VOLUME DE PIECES - COUTS - STRATEGIE (DUREE DE VIE DU PROJET, CONFIDENTIALITE,...) LES DIFFERENTES APPROCHES ASIC SONT COMPLEMENTAIRES, ET LES CRITERES DE CHOIX PEUVENT EVOLUER DANS LE TEMPS (EXEMPLE: PASSAGE D UN PREDIFFUSE A UN PRE-CARACTERISE POUR OPTIMISER LES COUTS DE FABRICATION D UNE APPLICATION) ANALYSE DE LA VALEUR, PROJECT MANAGEMENT

18 ASIC : COMPARAISONS DELAI DE CONCEPTION DELAI DE FABRICATION DENSITE D INTEGRATION PERFORMANCES progammable pré-diffusé pré-caractérisé sur mesure

19 Comparaison des ASICs Coût unitaire d un système Composants standards Circuits programmables Prédiffusés Pre-caractérisés Circuits sur mesure Volume de production Circuits Programmables Circuits Prédiffusés Circuits Pre-caractérisés Circuits sur mesure Temps de conception Complexité et niveau d intégration

20 CONCLUSION :EVOLUTION DES SYSTEMES ELECTRONIQUES µp circuit standard circuit standard circuit standard HIER circuit standard circuit standard circuit standard memory memory AUJOURD HUI µp DSP circuit standard FPGA ASIC FPGA µp DSP memory DEMAIN FPGA FPGA FPGA FPGA memory FPGA FPGA memory memory ASIC-based system G L U E µp Core DSP Analog Program ROM RAM A.S.I.C Programmable-based system Low cost design, prototype System on a chip Embedded system Complex design Production en volume

21 CONCLUSION :EVOLUTION DES SYSTEMES ELECTRONIQUES Perspectives : MATERIEL STANDARD ou SPECIFIQUE? Système électronique = Matériel & logiciel Matériel standard : composants standards, composants programmables (FPGA). Matériel spécifique (ASIC) Technologie «reine» : CMOS Evolution: Systèmes sur puce réalisés à partir de «composants virtuels» («IP cores») Exemple : téléphone cellulaire importante croissante du logiciel petites séries : matériel «standard» Contexte industriel : «Time to Market» «Reuse» «Cost»