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1 Technologies SOC (System On Chip) (Système sur une seule puce) Pierre LERAY et Jacques WEISS Équipe de recherche ETSN Supélec Campus de Rennes février, 02 Technologies SoC ; P. Leray, J. Weiss 1 Évolution du marché (applications) Les systèmes électroniques sont de plus en plus présents dans notre quotidien : Ordinateurs, PDA, Téléphone portable Audiovisuel numérique fixe ou portable Électronique embarquée dans l automobile Baladeurs CD/MP3... (Millions de transistors) Transistors par personne Source : Semiconductor Industry Association (SIA) février, 02 Technologies SoC ; P. Leray, J. Weiss 2

2 Évolution du marché (besoins) On leur demande d offrir : plus de fonctionnalités plus de puissance de calcul une consommation réduite (applications mobiles) une réduction des dimensions géométriques la reconfiguration (adaptation à tous les standards) un coût bas Leur conception doit se faire : rapidement (mise sur le marché rapide (Time To Market)) avec un souci d évolutivité (pour suivre les normes) février, 02 Technologies SoC ; P. Leray, J. Weiss 3 Évolution du marché Les progrès des technologies silicium permettent de répondre à certains de ces besoins : Taille du trait : - 15 %/an Coût du transistor : - 42 %/an N bre Transistors /puce : *2 tous les 2 ans (loi de Moore) Fréquence d horloge : *2 tous les 3 ans (processeurs : *2/an) Exemples (2001) : Pentium 4 : 32 bits, 41 MTransistors, Horloge à 2 GHz FPGA : 10 Millions de portes, Horloge à 500 MHz Géométrie (nm) : la micro-électronique rentre dans l ère de la nano-technologie Source : ITRS 2001 Cela permet d augmenter la part des traitements logiciels, tels que : Vidéo numérique : 8 bits à 13,5 MHz Audio numérique : 16 bits à 48 khz communications (cryptage, modulations, ) Radio logicielle février, 02 Technologies SoC ; P. Leray, J. Weiss 4

3 Évolution du marché Les progrès technologiques sont tels que les pertes de performances sont maintenant imputables aux temps de propagation dans les interconnexions. Limites technologiques : Vitesse de la lumière (dans le vide) : 0,3 µm/ps Longueur d onde λ = 1,5 mm à 2 GHz Contraintes technologiques : Conditions de propagation d onde (adaptation) Puissance : P = α CV 2 f Retard (ps) t pd total Interconnexions Porte 0 0,65 0,35 0,18 0,10 Géométrie (µm) Tant que l on reste sur la puce, les distances à parcourir sont courtes et les capacités mises en jeu sont faibles. Si l on doit échanger des données avec d autres composants, les ordres de grandeurs changent (temps de propagation, puissance, ), ce qui limite les performances potentielles. Exemple : Les processeurs fonctionnent à 2 GHz (T = 500 ps) en interne mais ils communiquent avec l extérieur à 400 MHz au mieux. février, 02 Technologies SoC ; P. Leray, J. Weiss 5 Évolution du marché La technologie évolue vite mais les outils de conception évoluent plus lentement Portes Capacité de conception Capacité d intégration (x50/10 ans) x3 temps Le délai moyen de conception reste d environ 1 an Il est donc impératif de réutiliser des éléments existants (notions de : bibliothèques, macrofonctions, IP) Année 2001(CMOS 130 nm) puce 100 MTransistors concepteur : 1,2 MT/an réutilisation/ip : 25 % Année 2007 (CMOS 65 nm) puce 600 MTransistors concepteur : 5,9 MT/an réutilisation/ip : 70 % 25 % 70 % février, 02 Technologies SoC ; P. Leray, J. Weiss 6

4 Évolution des techniques de conception Années 70/80 : Conception Full-Custom - schéma - dessin des masques - simulation SPICE Années 80/90 : Conception précaractérisé + FPGA - réutilisation du matériel (briques élémentaires : Standard Cells) - modélisation, simulation, synthèse Années 00/xx :Conception SoC - réutilisation du matériel et du logiciel (IP) - co-design, vérification février, 02 Technologies SoC ; P. Leray, J. Weiss 7 Principes de conception La conception d un système de traitement, c est : - la construction d une architecture matérielle composée de blocs logiques standards (processeurs, mémoires) de blocs logiques spécifiques, de bus de communications. - le développement de ressources logicielles. Optimiser un système, c est adapter les ressources matérielles et logicielles aux besoins spécifiques. L approche SoC, c est la cohabitation de ces ressources sur une même puce Prise en compte globale du système dans ses réalisations matérielles et logicielles février, 02 Technologies SoC ; P. Leray, J. Weiss 8

5 Conception SoC Le Concept SoC apporte une réponse à ce besoin de conception hard/soft Réutilisation Bibliothèques : Matériel : Blocs IP, Composants virtuels, Cœurs de processeurs. Logiciel : routines de base, système d exploitation, modules spécifiques. SoC Co-design Développement rapide Intégration poussée Faible puissance Renouvellement fréquent des gammes de produits février, 02 Technologies SoC ; P. Leray, J. Weiss 9 Les blocs IP (Intellectual Property) Blocs fonctionnels complexes pouvant être réutilisés dans plusieurs conceptions Hard IP : bloc déjà physiquement implanté dépendant de la technologie très optimisé Soft IP : bloc décrit en langage de haut niveau (VHDL,verilog), souvent paramétrable, synthétisable Besoin de normalisation des interfaces (AMBA, CoreConnect, ) (compatibilité fonctionnelle, temporelle, électrique) L emploi de ces blocs dans un projet implique l utilisation d un environnement de développement adapté (co-design, co-vérification, ) : IBM Core Blue, Mentor-Altera, L optimisation de ces blocs par rapport à la technologie n est pas très poussée, ce qui limite leur emploi à des fonctions de performances moyennes. février, 02 Technologies SoC ; P. Leray, J. Weiss 10

6 Flot de conception SoC Spécifications Estimateurs Description d architecture Bibliothèque IP M1 P2 Hardware VHDL, Verilog Partitionnement matériel/logiciel Software C Soft IP Hard IP Vérification formelle P1 Synthèse Compilation Cosimulation On-Chip Memory Blocs synthétisés Processor Core Interface Off-Chip Memory février, 02 Technologies SoC ; P. Leray, J. Weiss 11 Approche SoPC (System on Programmable Chip) L approche SoC (technologie ASIC) répond aux besoins de performances et d intégration mais : elle est peu adaptée à l évolutivité des systèmes elle reste réservée aux grands volumes de production la fabrication et le test sont des étapes longues et coûteuses L approche SoPC (technologie FPGA) résoud ces problèmes : développement et prototypage rapides composant reconfigurable en quelques ms et à volonté mais la densité d intégration est moindre (~10 Millions de portes) la consommation est plus grande les performances sont moindres février, 02 Technologies SoC ; P. Leray, J. Weiss 12

7 Exemple d environnement SoPC (Quartus, Altera) février, 02 Technologies SoC ; P. Leray, J. Weiss 13 Exemple SoPC EPXA10 (Altera, cœur ARM) Stripe : CPU ARM922T (200MIPS) Caches instructions et données SRAM simple et double port périphériques (UART, WDT, INT, ) interface bus AMBA Zone logique programmable : 1 million de portes FPGA éléments logiques SRAM, PLL 521 février, 02 Technologies SoC ; P. Leray, J. Weiss 14

8 Évolution des systèmes ASIC PLL µp Hier FPGA FPGA DSP EPLD TTL Mémoire TTL Mémoire TTL Mémoire IP Glue logique µp DSP Mémoire Demain Grande diffusion : approche SoC Reconfigurable (logiciel) Réutilisation de composants virtuels, IP Performances (vitesse et consommation) Aujourd hui Grande souplesse : approche SoPC µp Mémoire µp FPGA DSP ASSP Mémoire Glue logique IP IP Glue DSP logique Mémoire DSP Mémoire DSP Mémoire FPGA (jusqu à 10 millions de portes) Reconfigurable (logiciel ET matériel) Réutilisation de composants virtuels, IP Développement rapide février, 02 Technologies SoC ; P. Leray, J. Weiss 15

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