Circuits VLSI programmables

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1 Circuits VLSI programmables Alain GUYOT TIMA TIMA Techniques de l'informatique et de la Microélectronique pour l'architecture. Unité associée au C.N.R.S. n B0706 Circuits programmables 1

2 Du Micro au Micron Evolution rapide petit volume faible complexité Microprocesseur, micro-ordinateur monoboitier Circuits programmables dynamiquement Circuits programmables statiquement application figée grand volume grande complexité Tableaux, mer de portes (prédiffusés) Cellules précaractérisées (bibliothèque) Générateurs, compilateurs, dessin au micron Circuits programmables 2

3 Circuits ASIC une application un client une application plusieurs clients pas de spécifications publiques des spécifications publiques un fabricant plusieurs fabricants 24% du marché mondial des IC en 1992 ( M$) Styles: Tableau logique programmable Prédiffusé Précaractérisé mélangé Généré ou Compilé "fait main" full custom Circuits programmables 3

4 Plan PLA Prédiffusés Précaractérisés Générés/Compilés Programmables dynamiquement Comparaison Circuits programmables 4

5 Pla à fusible Entrées Sorties Circuits programmables 5

6 Circuits prédiffusés Canaux de routage Colonnes de portes Mer de portes Mer ou Océan de portes Tableau de portes Programmation par métallisation Programmation par contacts puis métallisation Circuits programmables 6

7 Circuits prédiffusés (2) 90% des ASICs Utilisation d'une bibliothèque de cellules Placement et routage automatique Personnalisation par métallisation 1 à 3 niveaux de métallisation Transistors à emplacement fixe Transistors de taille fixe Pour circuits de faible ou moyenne complexité de petite série non critique en vitesse Canaux de routage cellule périphérique programmable par masque Colonnes de portes Circuits programmables 7

8 Fabrication de prédiffusés circuit entièrement dédié passivation métal 2 via métal 1 contact P+ implant N+ implant polysilicium zone active puits phase de préparation P+ implant N+ implant polysilicium zone active puits phase d'ajustement à l'application passivation métal 2 via métal 1 contact Circuits programmables 8

9 Fabrication de prédiffusés (2) Préparation Stockage Masques standard os Personnalisation Masques spécifiques Circuits programmables 9

10 Exemple de fonction a b c d s a b p p n p p n c d s n n s a b c d Circuits programmables 10

11 Connexion de plusieurs portes Poly Masse Alim Diffusion Circuits programmables 11

12 Tendance de complexité des prédiffusés 10 6 (1 porte 6 transistors) nombre de portes / chip croissance 1,6 / an Circuits programmables 12

13 Circuits précaractérisés Utilisation d'une bibliothèque de cellules Transistors dimensionnés pour le pire cas Interconexions dans canaux de routage Cellules assemblées en bande Placement et routage automatique Mélange avec macrocell ou full custom mégacell macrogénérées Canaux de routage Lignes de cellules Pour circuits moyenne complexité de moyenne série (surface non optimisée) non critique en vitesse Circuits programmables 13

14 Bibliothèque de fonctions précaractérisées φ D reset φ Q D Q Q Vdd inv nand nor static D (maîtreesclave) static D inv Vss La bibliothèque ES2 1,5µ contient entre autres: inverseur,buffer,nand, and, nor, nor, xnor, xor, or-nand, and-nor, multiplexeur, 3-états, additionneur 2 bits cascadable, D flip-flop (maître esclave), D latch, avec set, reset ou les deux Circuits programmables 14

15 Exemple d'assemblage D Q D Q Q inv inv inv inv static D static D inv nand Circuits programmables 15

16 Famille de circuits programmables Circuits à structure de PAL Circuit à structure de PLA Circuits à plusieurs tableaux Circuits microprogrammés Circuits à matrice partitionnée PAL PLA, PLS (Programmable Logic Array) PLM (Programmable Macro Logic) PROSE (AMD), EPS (Altera) EP, MAX (Altera) CAL (Algotronix) Circuit à tableau de cellules LCA, FPGA (Xilinx) Circuits programmables 16

17 Famille de circuits programmables (2) PLDs, PALs, EPLDs < 2K portes tableaux de portes ET/OU programmables programmés par EPROM, fusible ou antifusible Gate Array programmable < 5K portes interconnexions programmées programmé par SRAM, EPROM ou fusible blocs pré-définis Gate Array, Mer de Portes <150 portes personnalisées par interconnexions (métal + contacts) Circuits programmables 17

18 Circuits programmable Réseau régulier de fonctions élémentaires Fonction de chaque cellule programmable Connexions des cellules programmable Chargement du programme à la mise sous tension Programmation chargé dans bascules statiques réparties Possibilité de programmation non volatile Circuits programmables 18

19 Field Programmable Gate Array bloc fonctionnel de programmation vers la logique vers la logique de programmation Antifusible Transistor à grille isolée Transistor commandé par une bascule Circuits programmables 19

20 Programmation Antifusible Transistor à grille isolée Transmission commandée par une bascule Antifusible: 15 à 20 Volts (typ. 18 Volts) 10mA sur la connexion Polycristal Oxyde Nitride Oxyde Polycristal conducteur (<100 Ω) oxyde épais poly ONO E diffusion n antifusible bascule et porte de transmission Circuits programmables 20

21 Field Programmable Gate Array Marché en très forte croissance Intermédiaire entre PAL et Gate Array (programmées par masque) Architecture : tableau de blocs logiques programmables canaux de routage interconnexions programmables Méthode de programmation bascules reliées en série (reconfigurable dynamiquement) EPROM effaçable et reprogrammable antifusible à programmation permanente Circuits programmables 21

22 Tableau de Fonctions XILINX switch matrix switch matrix F4 C4 G4 Q4 G1 G C1 K F1 CLB F Q1 F2 C2 G2 G3 C3 F3 switch matrix switch matrix Circuits programmables 22

23 Bloc diagramme de la fonction CLB XILINX CLB série 4000 contrôle dynamique par broches multiplexeur configuré par programme fonction logique programmable fonction logique programmable fonction logique programmable multiplexeur contrôlé par configuration initiale 1 1 bascule bascule Circuits programmables 23