GELE5340 Circuits ITGÉ (VLSI) · 2012-01-17 · GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 4 Circuits intégrés •Circuits ITGÉ: Intégrés à Très Grande Échelle

GELE5340

Circuits ITGÉ (VLSI)

Chapitre 1: Introduction

GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 2

Contenu du cours

• Introduction aux circuits intégrés

○ Dispositifs CMOS, processus de fabrication. Inverseurs CMOS et portes logiques. Délai de propagation, marge de bruit et dissipation de puissance. Circuits arithmétiques, interconnexions, et mémoires. Unités de logique programmables. Méthodologies de design.

• Qu’y a-t’il à apprendre?

○ Comprendre le design et l’optimisation des circuits intégrés, par rapport aux différents paramètres: coût, vitesse, dissipation de puissance, fiabilité.


Contenu du cours

• Introduction: Défis du design

• Le MOSFET; l’inverseur CMOS

• Éléments de base

• Circuits logiques

• Portes logiques séquentielles

• Circuits arithmétiques

• Mémoires et circuits programmables.

• Circuits à très grande échelle


Circuits intégrés

• Circuits ITGÉ: Intégrés à Très Grande

Échelle (VLSI: Very Large Scale Integration).

○ Il s’agit des circuits intégrés contenant plusieurs

milliers de transistors (et beaucoup plus, comme

le Pentium IV, 230 millions de transistors).

• Le cours comprend un survol des techniques

de design des circuits à très grande échelle.

• On verra les éléments de base qui servent à

construire des circuits complexes.


Introduction

• Qu’est-ce qui est différent dans le design de

circuits intégrés maintenant par rapport au

passé?

• Est-ce que ça va changer dans le futur?


Le premier ordinateur

Le « Babbage Difference

Engine » (1832)

25 000 pièces

Coût: £17 470 (en 1832)


Colossus

• Le premier ordinateur électronique.

○ Construit en 1944 en Angleterre pour décoder des

messages secrets allemands, pendant la 2e

Guerre Mondiale.

○ Seulement rendu publique en 2000.

○ 5000 caractères par seconde.


ENIAC

ENIAC: le deuxième

ordinateur électronique

(1946)

Consommation: 160kW

Dimension: 167m2.

En 1995, en

Pennsylvanie, on a

reproduit la totalité de

cet ordinateur sur une

puce de 7.44x5.29 mm2.


Une révolution: le transistor

Le premier

transistor

Bell Labs (1948)


Les premiers circuits intégrés

Logique bipolaire, années 60

ECL 3-input Gate

Motorola 1966


Microprocesseur Intel 4004

Parmi les premiers

microprocesseurs (1971)

2300 transistors

Fréquence: 1 MHz

Processus 10µm


Intel Pentium Core i7

2009

731 millions de

transistors

Fréquence: 3.0GHz+

Dimension: 296mm2

Technologie: 45nm


Loi de Moore

• En 1965, Gordon Moore note que le nombre

de transistors sur une puce double à tous les

18 à 24 mois.

• Il prédit que la technologie des

semiconducteurs doublera en efficacité à

tous les 18 mois.


Loi de Moore: prédiction

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

19

59

19

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19

70

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75

LO

G 2 N

OM

BR

E D

E C

OM

PO

SA

NT

ES

PA

R F

ON

CT

ION

IN

TÉ

GR

ÉE

Electronics, 19 avril 1965


Nombre de transistors

Source: Intel

Tra

nsis

tors

1.0E+03

1.0E+04

1.0E+05

1.0E+06

1.0E+07

1.0E+08

1.0E+09

1.0E+10

1970 1980 1990 2000 2010

4004

8085

8086

286 386

486

Pentium Pentium II

Pentium IV

Itanium

Itanium 2


Loi de Moore des transistors

4004 8008

8080 8085 8086

286 386

486 Pentium® pro

P6

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

1970 1980 1990 2000 2010 Année

Tra

nsis

tors

(M

T)

Croissance 2X en 1.96 ans!

Le nombre de transistors double à tous les 2 ans

Pentium® IV


Croissance des matrices (die)

4004 8008

8080 8085

8086 286

386 486 Pentium ® proc

P6

1

10

100

1970 1980 1990 2000 2010 Year

Die

siz

e (

mm

)

~7% croissance par an

~2X croissance en 10 ans

Matrice croît de 14% pour satisfaire la Loi de Moore


Fréquence

La fréquence des microprocesseurs de pointe double aux 2 ans,

mais est maintenant stagnant.

Source: Intel

Fré

quence (

MH

z)

4004

8008

8080

8085

8086

286

386 486

Pentium

Pentium Pro Pentium II

Xeon Pentium IV

0.1

1

10

100

1000

10000

1970 1980 1990 2000 2010

Pentium IV Extreme Pentium IV HT Core

i7


Dissipation de puissance

La puissance des microprocesseurs de pointe

s’est finalement stabilisée

0.01

0.1

1

10

100

1000

1971 1974 1978 1985 1993 1997 2000 2004 2009

Puis

sance (

W)


Puissance: problème grave

5KW 18KW

1.5KW

500W

4004 8008

8080 8085

8086 286

386 486

Pentium® proc

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

1971 1974 1978 1985 1992 2000 2004 2008 Année

Pu

issan

ce (

Watt

s)

La consommation de puissance commence

à être significative


Densité de puissance

4004 8008

8080 8085

8086

286 386

486 Pentium® proc

P6

1

10

100

1000

10000

1970 1980 1990 2000 2010

Année

Den

sit

é d

e p

uis

san

ce

(W

/cm

2)

Réacteur

Nucléaire

Fusée

Densité de puissance trop élevée pour maintenir

les jonctions à de basses températures

Plaque

chauffante

Pentium IV Prescott


Pas seulement les microprocesseurs

Marché des téléphones cellulaires

(Téléphones vendus)

1996 1997 1998 1999 2000 2003 2007

Unités 48M 86M 162M 260M 435M 520M 1.15G Analog

Baseband

Digital Baseband

(DSP + MCU)

Power

Management

Small

Signal RF Power

RF

Téléphones

Cellulaires


Défis en design digital

Problèmes microscopiques:

• Design à très haute vitesse

• Interconnexion

• Bruit, diaphonie (crosstalk)

• Fiabilité

• Manufacture

• Dissipation de puissance

• Distribution de l’horloge

Problèmes macroscopiques:

• Temps de mise en marché

• Millions de portes

• Abstraction de haut niveau

• Réutilisation

• Propriété Intellectuelle

• Performance globale


Tendances de productivité

2003

1981

1983

1985

1987

1989

1991

1993

1995

1997

1999

2001

2005

2007

2009

Logic Tr./Chip

Tr./Staff Month.

x x x

x x x

x

21%/An.

Taux de croissance de la productivité

x

58%/An Taux de croissance de la complexité

10,000

1,000

100

10

1

0.1

0.01

0.001

Tra

ns

isto

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(M

)

0.01

0.1

1

10

100

1,000

10,000

100,000

Pro

du

cti

vit

é

(K)

Tra

ns

./S

taff

- M

o.

Source: Sematech

Complexité croît plus vite que la productivité en design

Co

mp

lex

ité


Mise à l’échelle (scaling)

• Pourquoi la mise à l’échelle?

○ La technologie diminue de 0.7 / génération.

○ À chaque génération, on peut intégrer 2X plus de fonctions

par puce; le coût n’augmente pas de façon significative.

○ Le coût d’une fonction diminue d’un facteur 2

○ Mais:

Comment faire le design de circuits avec de plus en plus de

puces?

La population d’ingénieurs ne double pas à tous les 2 ans.

○ Il y a donc un besoin pour des méthodes de design

efficaces.


Niveaux d’abstraction

S G

D

TRANSISTOR

CIRCUIT

PORTE

MODULE

SYSTÈME

+

n+ n+


Niveaux d’abstraction

• Les niveaux d’abstraction sont une composante importante du processus de design.

• Le design de puces complexes (Ex: Pentium Core2 Duo) ne se fait pas au niveau du transistor; ça prendrait bien trop longtemps.

• On design des blocs de bas niveaux, pour les intégrer dans des blocs de plus haut niveau, qui sont intégrés dans des blocs de niveau encore plus haut, et ainsi de suite.


Design

• Pour bien comprendre le design d’un bloc, il faut bien comprendre le comportement des unités inférieures.

• On commence donc le cours avec l’unité de base, le transistor.

• Une fois l’étude du transistor complète, on étudie par après la porte logique de base, l’inverseur.

• Après l’inverseur, on produira des portes plus complexes.

• On termine avec des blocs complexes comme des additionneurs, multiplicateurs, etc.


Métrologie de design

• Comment évaluer la performance d’un circuit

numérique (porte, module, etc.)?

○ Coût

○ Fiabilité

○ Extensibilité

○ Vitesse (fréquence d’opération, délai)

○ Dissipation de puissance

○ Énergie requise pour une fonction


Coût des circuits intégrés

• NRE: coûts non-récurrents d’ingénierie

○ Temps de design et effort, génération de masques

○ Frais exceptionnels

○ Ce sont des coûts qu’on doit payer que l’on ait 1 seul ou 1 millions de puces

• Coûts récurrents

○ Traitement du silicium, mise en boîtier, testing

○ Proportionnel au volume

○ Proportionnel à la superficie de la puce


Coûts NRE augmentent


Disparition des fabricants

Source: Simon Segars, VP, ARM


Coût de la matrice

Une matrice (die)

Tranche (wafer)

Rendu à 12” (30cm)


Coût par transistor

0.0000001

0.000001

0.00001

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 2012

coût: ¢-par-transistor

Coût de fabrication par transistor (Loi de Moore)


Rendement (yield)

%100epar tranch puces de totalNombre

epar tranch puces bonnes de #Y

Rendement epar tranch Matrices

trancheuned'Coût matrice uned'Coût

matrice la de Aire2

tranchela de diamètre

matrice la de Aire

tranche/2la de diamètreepar tranch Matrices

2


Défauts

matrice la de Aireredéfauts/Ai de#1matrice deRendement

est approximativement 3

4matrice) la de Aire ( matrice la decoût f


Quelques exemples (1994)

Puce Niveaux

métaux

Largeur

ligne

Coût

Tranche

Def./

cm2

Aire

mm2

Matrice/

Tranche

Rendement Coût

Matrice

386DX 2 0.90 $900 1.0 43 360 71% $4

486 DX2 3 0.80 $1200 1.0 81 181 54% $12

Power PC

601 4 0.80 $1700 1.3 121 115 28% $53

HP PA 7100 3 0.80 $1300 1.0 196 66 27% $73

DEC Alpha 3 0.70 $1500 1.2 234 53 19% $149

Super Sparc 3 0.70 $1700 1.6 256 48 13% $272

Pentium 3 0.80 $1500 1.5 296 40 9% $417


Microprocesseurs de pointe

• Ex: Intel Pentium® Core2 i7

○ 731 millions de transistors, fréquence jusqu’à

3.33GHz, technologie 45nm (dimension

minimale), 263mm2, consommation de puissance

estimée à 130W max.

• Ex: Intel Nehalem-EP (Xeon)

○ 2.3 billions de transistors, fréquence jusqu’à

3.2GHz, technologie 45nm (dimension minimale),

consommation de puissance jusqu’à 130W


Mémoires Flash

• C’est un gros marché en croissance.

• Clés de mémoire peu dispendieuses

$10 / 8GB

• Disques durs pour portables disponibles


Conclusion

• Les circuits intégrés ont beaucoup évolué et ont beaucoup de potentiel pour les années à venir.

• Plusieurs défis intéressants:

○ Le but du cours est de comprendre ces défis et les solutions proposées.

• Comprendre la métrologie de design des circuits intégrés est important.

○ Coût, fiabilité, vitesse, puissance et dissipation d’énergie.

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