Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
La compatibilité magnétique s'applique aujourd'hui également au niveau des circuits et des composants mêmes. Cet article explicite les émissions produites par les circuits intégrés et leur susceptibilité. Il détaille les différentes méthodes de mesure de ces phénomènes, et présente un modèle, appelé ICEM pour Integrated Circuit Electromagnetic Model, permettant de simuler ces phénomènes. Enfin les éléments logiciels défensif, qui augmentent la robustesse du système, sont présentés.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Mohamed RAMDANI : Docteur de l’université Paul-Sabatier de Toulouse - Enseignant-Chercheur à l’École supérieure d’électronique de l’Ouest à Angers Membre de l’UTE
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Étienne SICARD : Professeur à l’INSA de Toulouse, Docteur en microélectronique - Concours scientifique CEM composants à EADS-Corporate Research Center
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Sonia BENDHIA : Ingénieur INSA de Toulouse, Docteur en microélectronique - Maître de conférence à l’INSA de Toulouse
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Sébastien CALVET : Ingénieur INSA Toulouse, Physique des matériaux - microélectronique - Doctorant CIFRE à Motorola et au LESIA
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Stéphane BAFFREAU : Docteur en conception des circuits microélectroniques et microsystèmes
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Jean-Luc LEVANT : Expert technique analogique et CEM des circuits intégrés Atmel, Nantes - Membre de l’UTE
INTRODUCTION
La directive européenne définit la compatibilité électromagnétique (CEM) comme étant :
« L’aptitude d’un dispositif, d’un appareil ou d’un système à fonctionner dans son environnement électromagnétique de façon satisfaisante et sans produire lui-même des perturbations électromagnétiques intolérables pour tout ce qui se trouve dans cet environnement ».
Depuis une dizaine d’années, les circuits intégrés et plus particulièrement le composant rejoignent les appareils et les systèmes dans le domaine de la CEM.
En effet, l’apparition des nouvelles matrices de portes logiques à haute densité (plusieurs centaines de milliers de portes à plusieurs millions de portes), les nouvelles technologies (0,25 µm, 0,18 µm, 0,12 µm et bientôt moins de 90 nm) et les méthodes de conception haut niveau de type SOC (System On Chip), autorisent une forte intégration de fonctions complexes et rapides tels que processeurs de signaux numériques spécialisés, chaînes de traitement de signal, séquenceurs complexes d’algorithme de télécommunications, etc. Cela ne reste pas sans conséquences : la commutation simultanée de milliers de bascules, des variations rapides de courant sur les différents rails d’alimentation, des variations de potentiel sur les alimentations internes et externes qui peuvent être de l’ordre de grandeur des seuils logiques des portes. On entre de plain-pied dans le domaine de la compatibilité électromagnétique des circuits intégrés.
Dans cet article, on tentera d’expliquer l’origine des phénomènes majeurs qui ont lieu dans un circuit intégré, à savoir l’émission (conduite et rayonnée) et la susceptibilité. Les méthodes de mesure aussi bien pour l’émission que la susceptibilité seront décrites. On présentera le modèle permettant de simuler, voire prédire, l’émission des circuits intégrés, appelé ICEM (Integrated Circuit Electromagnetic Model), actuellement en cours de normalisation. Enfin, on décrira l’approche de logiciel « défensif », ensemble de techniques utilisées pour renforcer la robustesse d’un système.
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Modélisation de l’émission parasite1. Généralités
La course effrénée à la performance en microélectronique se traduit par des efforts technologiques colossaux permettant de doubler les performances des circuits intégrés tous les trois ans. Les microprocesseurs et mémoires sont les principaux responsables de ce phénomène.
Durant ces dernières années, les progrès en lithogravure ont principalement affecté les dimensions des dispositifs actifs et les interconnexions. En 2004, la lithographie industrielle la plus utilisée correspond à une dimension minimale de 90 nm, avec des recherches sur des dispositifs aussi petits que 5 nm.
En parallèle à la réduction des dimensions des dispositifs, le nombre de circuits élémentaires intégrables sur une même puce n’a cessé de croître. Ainsi, il est possible, en 2004, d’intégrer près de 500 millions de transistors en 90 nm, et l’on estime que l’on pourra atteindre 10 milliards de portes dans quelques années. Un document incontournable détaillant les avancées technologiques et projetant leurs évolutions d’ici 5, 10 et 15 ans est régulièrement mis à jour par l’association internationale des fabricants de semi- conducteurs [référence ITRS SIA roadmap ] (tableau 1).
Du point de vue de la compatibilité électromagnétique, l’évolution des performances des circuits intégrés grâce aux progrès de la lithogravure s’accompagnent de plusieurs effets parasites dont les conséquences sont particulièrement nuisibles : en particulier, l’augmentation de la complexité des puces s’accompagne d’une plus grande puissance consommée, d’un niveau d’émission de parasites plus grand, et d’une plus grande fragilité aux agressions d’origine électromagnétique.
L’évolution de la complexité des processeurs Intel © au cours des dernières années est donnée sur la figure 1. L’augmentation constante du nombre de transistors se traduit par une consommation accrue. Le processeur Pentium 4 dissipe jusqu’à 30 W. Les prochaines générations de processeurs de haute performance pourraient consommer 100 W et plus.
Le niveau d’émission de parasites plus grand est aussi lié à l’augmentation de la complexité des circuits intégrés. Même si les progrès...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - PFAFF (W.R.) - Application independent evaluation of electromagnetic emission for Ics by the measurement of conducted signal. - Proceedings of the IEEE International Symposium on EMC, p. 219-224 (1998).
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(2) - FIORI (F.), PIGNARI (S.) - Analysis of a test set-up for the characterization of IC electromagnetic emission. - Proceedings of the IEEE EMC Symposium, p. 375-378 (2000).
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(3) - MUCCIOLI (J.P.), NORTH (T.), SLATTERY (K.) - Investigations of the theoretical basis for using a 1 GHz TEM cell to evaluate the radiated emissions from integrated circuits. - In Proceedings of the IEEE international Symposium on Electromagnetic Compatibility, p. 63-67 (1996).
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(4) - MUCCIOLI (J.P.), NORTH (T.), SLATTERY (K.) - Characterization of the RF emissions from a family of microprocessors using a 1 GHz TEM cell. - In Proceedings of the IEEE EMC Symposium, Austin (1997).
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(5) - * - International Electro-technical Commission IEC 61967 : Integrated Circuits, Measurements of Conducted and Radiated Electromagnetic Emission, IEC standard (1999).
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