gele5340 circuits itgÉ (vlsi)
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GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 1
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.
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 3
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
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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.
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 5
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?
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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)
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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.
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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.
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Une révolution: le transistor
Le premier
transistor
Bell Labs (1948)
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 10
Les premiers circuits intégrés
Logique bipolaire, années 60
ECL 3-input Gate
Motorola 1966
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Microprocesseur Intel 4004
Parmi les premiers
microprocesseurs (1971)
2300 transistors
Fréquence: 1 MHz
Processus 10µm
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Intel Pentium Core i7 - Skylake
2016
1 750 millions de
transistors
Fréquence: 3.0GHz+
Dimension: 122mm2
Technologie: 14nm
Transistors FinFET
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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.
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 14
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
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 15
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
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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
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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
)
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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
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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
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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)
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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)
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 22
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
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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
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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
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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
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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
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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
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 27
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.
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 28
Niveaux d’abstraction
SG
D
TRANSISTOR
CIRCUIT
PORTE
MODULE
SYSTÈME
+
n+ n+
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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.
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 30
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.
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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
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Coûts NRE augmentent
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Disparition des fabricants
Source: Simon Segars, VP, ARM
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Coût de la matrice
Une matrice (die)
Tranche (wafer)
Rendu à 18” (45cm)
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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)
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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
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Mémoires Flash
C’est un gros marché en croissance.
Clés de mémoire peu dispendieuses
$25 / 128GB
Disques durs pour portables
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Design numérique
L’élément de base est le transistor
Dans sa description la plus simple, c’est un
interrupteur
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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
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Inverseur CMOS
Vin
Mp
Mn
CL
Vout
VDD
Vin = 5V
Mp
Mn
Vout = 0V
5V
Vin = 0V
Mp
Mn
Vout = 5V
5V
Vin
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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?
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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
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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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