GELE5340 Circuits ITGÉ (VLSI)

GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 1

GELE5340

Circuits ITGÉ (VLSI)Chapitre 1: Introduction


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 Core i7, 995 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)

(l’équivalent de 1.6M$ en argent de 2012)


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 - Skylake

2016

1 750 millions de

transistors

Fréquence: 3.0GHz+

Dimension: 122mm2

Technologie: 14nm

Transistors FinFET


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: prévision

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

01

95

9

19

60

19

61

19

62

19

63

19

64

19

65

19

66

19

67

19

68

19

69

19

70

19

71

19

72

19

73

19

74

19

75

LO

G2N

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


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 2020

4004

8085

8086

286 386

486

Pentium

Pentium II

Pentium IV

Itanium

Itanium 2

Xeon

Nombre de transistors

Source: Intel

Tra

nsis

tors


Loi de Moore des transistors

40048008

80808085 8086

286386

486Pentium® pro

P6

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

1970 1980 1990 2000 2010

Année

Tra

ns

isto

rs (

MT

)

Croissance 2X en 1.96 ans!

Le nombre de transistors double à tous les 2 ans

Pentium® IV


Dimensions minimales

1010

6

33

1.5

1 1 0.8

0.350.25

0.180.13 0.13

0.090.065

0.0450.032

0.022

0.0140.01

0.1

1

10

1970 1980 1990 2000 2010 2020

Dim

en

sio

n m

in (

µm

)


Tranche

23 2850

75100

130

150

200

300

450

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

Tra

nc

he

(m

m)

Année


Croissance des matrices (die)

40048008

80808085

8086286

386486 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


4004

8008

8080

8085

8086

286

386486

Pentium

Pentium ProPentium II

XeonPentium IV

0.1

1

10

100

1000

10000

1970 1980 1990 2000 2010

Pentium IV ExtremePentium IV HT Core i7

Fréquence

La fréquence des microprocesseurs de pointe doublait aux 2 ans,

mais est maintenant stagnante.

Source: Intel

Fré

quence (

MH

z)


0.01

0.1

1

10

100

1000

1971 1974 1978 1985 1993 1997 2000 2004 2009 2013

Dissipation de puissance

La puissance des microprocesseurs de pointe s’est stabilisée

Puis

sance (

W)


Puissance: problème grave

5kW 18kW

1.5kW

500W

40048008

80808085

8086286

386486

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

40048008

8080

8085

8086

286386

486Pentium® proc

P6

1

10

100

1000

10000

1970 1980 1990 2000 2010

Année

Den

sit

é d

e p

uis

san

ce

(W/c

m2)

Réacteur

Nucléaire

Fusée

Densité de puissance trop élevée pour maintenir

les jonctions à de basses températures

Plaque

chauffante

Pentium IV Prescott


48 86162

260

435520

1150

1750

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

1995 2000 2005 2010 2015

Ve

nte

s (m

illio

ns)

Année

Pas seulement les microprocesseurs

Analog

Baseband

Digital Baseband

(DSP + MCU)

Power

Management

Small

Signal RFPower

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.

xxx

xxx

x

21%/An.

Taux de croissance de la productivité

x

58%/AnTaux de croissance de la complexité

10,000

1,000

100

10

1

0.1

0.01

0.001

Tra

ns

isto

rs L

og

iqu

e p

ar

Pu

ce

(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

SG

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: Core i7) 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.


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 18” (45cm)


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)


Microprocesseurs de pointe

Ex: Intel Pentium® Core2 i7

995 millions de transistors, fréquence jusqu’à 3.5GHz,

technologie 32nm (dimension minimale), 263mm2,

consommation de puissance estimée à 130W max.

Ex: Intel Xeon Phi

5.0 billions de transistors, fréquence de 1.29GHz,

technologie 22nm (dimension minimale),

consommation de puissance jusqu’à 300W, 61 coeurs


Mémoires Flash

C’est un gros marché en croissance.

Clés de mémoire peu dispendieuses

$25 / 128GB

Disques durs pour portables


Design numérique

L’élément de base est le transistor

Dans sa description la plus simple, c’est un

interrupteur


NMOS et PMOS

Un NMOS est un transistor qui est « fermé » si on

applique une tension positive (ex: 2.5V)

Un PMOS est un transistor qui est « fermé » si on

applique 0V

On combine ces deux types pour former des

fonctions logiques


Inverseur CMOS

Vin

Mp

Mn

CL

Vout

VDD

Vin = 5V

Mp

Mn

Vout = 0V

5V

Vin = 0V

Mp

Mn

Vout = 5V

5V

Vin


Défis du design numérique

En fonction de l’inverseur précédent, on

cherche à répondre à certaines questions:

Quelle est la tension de sortie? (pour 0V et 2.5V à

l’entrée)

Combien de temps faut-il pour avoir une sortie

valide?

Combien d’énergie (puissance) sera consommée

pour avoir une sortie valide?


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


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.

Documents

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