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5. Les circuits spécifiques a une application 5.1 Introduction Il existe une lo

5. Les circuits spécifiques a une application 5.1 Introduction Il existe une loi empirique, appelée loi de Moore, qui dit que la densité d’intégration dans les circuits intégrés numériques à base de silicium double tous les 18 à 24 mois. Cette loi s’est révélée remarquablement exacte jusqu'à ce jour. Durant les années 60, au début de l'ère des circuits intégrés numériques, les fonctions logiques telles que les portes, les registres, les compteurs et les ALU, étaient disponibles en circuit TTL. On parlait de composants SSI (Small Scale Integration) ou MSI (Medium Scale Integration) pour un tel niveau d'intégration. Dans les années 70, le nombre de transistors intégrés sur une puce de silicium augmentait régulièrement. Les fabricants mettaient sur le marché des composants LSI (Large Scale Integration) de plus en plus spécialisés. Par exemple, le circuit 74LS275 contenait 3 multiplieurs de type Wallace. Ce genre de circuit n'était pas utilisable dans la majorité des applications. Cette spécialisation des boîtiers segmentait donc le marché des circuits intégrés et il devenait difficile de fabriquer des grandes séries. De plus, les coûts de fabrication et de conception augmentaient avec le nombre de transistors. Pour toutes ces raisons, les catalogues de composants logiques standards (série 74xx) se sont limités au niveau LSI. Pour tirer avantage des nouvelles structures VLSI (Very Large Scale Integration), les fabricants développèrent trois nouvelles familles : • Les microprocesseurs et les mémoires RAM et ROM : les microprocesseurs et les circuits mémoires sont attrayants pour les fabricants. Composants de base pour les systèmes informatiques, ils sont produits en très grandes séries. • Les circuits programmables sur site : n'importe quelle fonction logique, combinatoire ou séquentielle, avec un nombre fixe d'entrées et de sorties, peut être implantée dans ces circuits. A partir de cette simple idée, plusieurs variantes d'architecture ont été développées (PAL, EPLD, FPGA,…). • Les ASIC programmés chez le fondeur : le circuit est conçu d'un point de vue logiciel par l'utilisateur, puis il est réalisé par le fondeur. A l'heure actuelle, la majorité des circuits numériques est issue de ces trois familles. Cependant, le catalogue standard (famille 74xx) est toujours utilisé. 243 Plus simplement, on peut distinguer deux catégories de circuits intégrés : les circuits standards et les circuits spécifiques à une application : • Les circuits standards se justifient pour de grandes quantités : microprocesseurs, contrôleurs, mémoires, … • Les circuits spécifiques sont destinés à réaliser une ou un ensemble de fonctions dans un système bien particulier. La figure suivante représente une classification des circuits intégrés numériques. CIRCUIT STANDARD conçu et réalisé par le fabricant Circuit spécifique à l'application Full-custom Semi-custom Circuit à la demande Circuit à base de cellules Circuit prédiffusé Circuit programmable Circuit compilé Circuit précaractérisé Réseau mer de portes Réseau prédiffusé classique FPGA PROM PLA PAL EPLD ou CPLD PLD ASIC Dans la littérature, le terme ASIC (Application Specific Integrated Circuit) est employé pour décrire l’ensemble des circuits spécifiques à une application. Or, dans le langage courant, le terme ASIC est presque toujours utilisé pour décrire les circuits réalisés chez un fondeur. On désigne, par le terme générique PLD (Programmable logic Device), l’ensemble des circuits programmables par l’utilisateur. 244 Parmi les circuits numériques spécifiques à une application, il faut distinguer deux familles : • les circuits conçus à partir d’une puce de silicium "vierge" (Full-custom), • les circuits où des cellules standards sont déjà implantées sur la puce de silicium (Semi- custom). Dans le premier groupe, les circuits appelés "Full custom", on trouve les circuits à la demande et ceux à base de cellules. Le fondeur réalise l'ensemble des masques de fabrication. Dans le second groupe, les circuits appelés "Semi-custom", on trouve les circuits prédiffusés et les circuits programmables. Les cellules standards, déjà implantées sur la puce de silicium, doivent être interconnectées les unes avec les autres. Cette phase de routage est réalisée, soit par masquage chez le fondeur (prédiffusé), soit par programmation. Avant d’aborder le détail de la classification des circuits numériques spécifiques à une application, un aperçu est donné sur les méthodes de réalisation des interconnexions pour les circuits "Semi-custom". 5.2 Technologie utilisée pour les interconnexions Les cellules standards implantées dans les circuits "Semi-custom" vont de la simple porte jusqu'à une structure complexe utilisant un grand nombre de transistors. Il existe deux manières d’interconnecter ces cellules : 1. Dans les ASIC, les lignes d’interconnexions sont crées par masque (fondeur). 2. Dans les PLD, les lignes d’interconnexions existent déjà dans le circuit (généralement sous forme de lignes et de colonnes traversant le composant). Il ne reste donc plus qu’à réaliser les bonnes liaisons pour réaliser le chemin voulu afin de relier les cellules logiques. Ces liaisons peuvent se faire : • par anti-fusible, • par cellule mémoire : fusible, EPROM, EEPROM, flash EPROM et SRAM. 5.2.1 Interconnexion par masque Le fondeur réalise les interconnexions des circuits prédiffusés par métallisation en créant le ou les derniers masques de fabrication. 5.2.2 Interconnexion par anti-fusible Avec cette technique, c'est l'opération inverse du fusible qui est réalisée. On ne coupe pas une liaison, mais on l'établit. L'anti-fusible isole deux lignes métalliques placées sur deux niveaux différents grâce à une fine couche d'oxyde de silicium. Si on applique une impulsion élevée 245 (≈21V) calibrée en temps (moins de 5 ms), la couche d'oxyde est trouée et les deux lignes se retrouvent en contact. La résistance entre les deux lignes passe alors de 100 MΩ à 100Ω. L’anti-fusible occupe une faible surface de silicium mais comme pour la technique du fusible, le boîtier n'est programmable qu'une seule fois par l'utilisateur. 5.2.3 Interconnexion par cellule mémoire La liaison entre les deux lignes peut être effectuée avec les cellules mémoires courantes (à l’exception de la cellule DRAM). On trouve donc des PLD basés sur les technologies fusibles, EPROM, E2PROM, flash EEPROM et SRAM. Mais en fait, les trois technologies les plus utilisées aujourd’hui pour réaliser des PAL, des EPLD et des FPGA sont l’EEPROM (flash ou non), la SRAM et l’anti-fusible. 5.3 Les circuits full custom Les circuits intégrés appelés full-custom ont comme particularité de posséder une architecture dédiée à chaque application et sont donc complètement définis par les concepteurs. La fabrication nécessite la définition de l'ensemble des masques pour la réalisation. Les temps de fabrication de ces masques et de production des circuits sont de ce fait assez long. Ces circuits sont ainsi appropriés pour des séries moyennes ou grandes. L'avantage du circuit full-custom réside dans la possibilité d'avoir un circuit ayant les fonctionnalités strictement nécessaires à la réalisation des objectifs de l'application. Parmi les circuits full-custom, on distingue : • les circuits à la demande, • les circuits à base de cellules. 246 5.3.1 Les circuits à la demande Ces circuits sont directement conçus et fabriqués par les fondeurs. Ils sont spécifiques car ils répondent à l'expression d'un besoin pour une application particulière. Le demandeur utilise le fondeur comme un sous-traitant pour la conception et la réalisation et n'intervient que pour exprimer le besoin. Ces circuits spécifiques utilisent au mieux la puce de silicium. Chaque circuit conçu et fabriqué de cette manière doit être produit en très grande quantité pour amortir les coûts de conception. 5.3.2 Les circuits à base de cellules Les circuits à base de cellules (CBIC : Cell Based Integrated Circuit) permettent des complexités d'intégration allant jusqu'au million de portes. Dans cette catégorie de circuits, on distingue les circuits à base de cellules précaractérisées et les circuits à base de cellules compilées. 5.3.2.1 les cellules précaractérisées Les cellules précaractérisées sont des entités logiques plus ou moins complexes. Il peut s'agir de cellules de base (portes, bascules, etc.) mais aussi de cellules mémoires (ROM, RAM) ou encore de sous-systèmes numériques complexes (UART, coeur de microprocesseur, PLA, ...). Toutes ces cellules ont été implantées et caractérisées au niveau physique (d'où la notion de cellules précaractérisées) par le fondeur. La fonctionnalité globale de l'application à réaliser s'obtient en choisissant les cellules appropriées dans une bibliothèque fournie par le fondeur. Sur le plan topologique, 2 types de cellules précaractérisées existent : • les cellules de hauteur fixe et de largeur variable, • les cellules de hauteur et de largeur variables. Dans le premier cas, l'association des cellules permet de définir des canaux pour les interconnexions ; le routage alors est simplifié. Dans le second cas, les canaux ne sont pas bien délimités, ce qui complique le placement-routage. 5.3.2.2 Les circuits à base de cellules compilées Les circuits à base de cellules compilées sont en fait basés sur l'utilisation de cellules précaractérisées. A la différence des circuits précaractérisés, les cellules ne sont pas utilisables directement mais au travers de modules paramètrables ou modules génériques. Chaque module est créé par la juxtaposition de n cellules de même type. La différence entre 247 circuits précaractérisés et circuits compilés provient essentiellement de l'outil utilisé pour générer les dessins des masques de fabrication. Ces outils sont appelés des compilateurs de silicium. 5.4 Les circuits semi-custom Dans la famille des circuits semi-custom, on distingue deux groupes : • les circuits prédiffusés, • les circuits programmables. 5.4.1 Les uploads/Ingenierie_Lourd/ cour-electronique.pdf