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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
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 4
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.
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)
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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.
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 8
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
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 11
Microprocesseur Intel 4004
Parmi les premiers
microprocesseurs (1971)
2300 transistors
Fréquence: 1 MHz
Processus 10µm
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Intel Pentium Core i7
2009
731 millions de
transistors
Fréquence: 3.0GHz+
Dimension: 296mm2
Technologie: 45nm
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 13
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.
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Loi de Moore: prédiction
16
15
14
13
12
11
10
9
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7
6
5
4
3
2
1
0
19
59
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19
70
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19
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19
74
19
75
LO
G 2 N
OM
BR
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ION
IN
TÉ
GR
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Electronics, 19 avril 1965
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 15
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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 22
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
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 23
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
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 24
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
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1,000
10,000
100,000
Pro
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Tra
ns
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taff
- M
o.
Source: Sematech
Complexité croît plus vite que la productivité en design
Co
mp
lex
ité
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 25
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.
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Niveaux d’abstraction
S G
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: 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.
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 28
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.
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 29
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
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 30
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 12” (30cm)
GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 34
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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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
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Défauts
matrice la de Aireredéfauts/Ai de#1matrice deRendement
est approximativement 3
4matrice) la de Aire ( matrice la decoût f
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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
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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
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Mémoires Flash
• C’est un gros marché en croissance.
• Clés de mémoire peu dispendieuses
$10 / 8GB
• Disques durs pour portables disponibles
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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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