Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Cet article traite des principes généraux mis en oeuvre dans la réalisation des opérateurs logiques matériels utilisés dans les systèmes électroniques et informatiques. Les caractéristiques de la technologie et des types de circuiterie CMOS sont présentées pour mettre en évidence les compromis vitesse/ surface/ consommation énergétique qui interviennent dans la conception des différents types de circuits : ASIC, circuits logiques programmables, processeurs et mémoires. Les fondements de la réalisation de ces différents types de circuits sont présentés.
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Daniel ETIEMBLE : Ingénieur INSA Lyon - Professeur à l'université Paris Sud (Orsay, France)
INTRODUCTION
L'objectif de cet article est de présenter les grands principes de réalisation des opérateurs logiques matériels, combinatoires et séquentiels, utilisés pour la réalisation des systèmes électroniques et informatiques. Les caractéristiques essentielles de la technologie CMOS et des circuiteries statiques et dynamiques sont présentées pour mettre en évidence les compromis entre vitesse, surface et consommation énergétique qui interviennent dans la conception des différents types de circuits : circuits ASIC (spécialisés pour une application), circuits logiques programmables, notamment FPGA et microprocesseurs et mémoires.
Si la densité d'intégration continue de croître de manière exponentielle selon la loi de Moore, les problèmes énergétiques (puissance dissipée et consommation pour les systèmes sur batterie) deviennent maintenant incontournables.
Les fondements des mémoires statiques (SRAM) et dynamiques (DRAM) sont présentés. Les grandes caractéristiques des circuits logiques programmables et leurs évolutions sont présentées en montrant comment les plus populaires, les FPGA, permettent maintenant de réaliser des systèmes sur puce complets intégrant des processeurs, des mémoires et des circuits d'interface spécialisés. Pour les circuits ASIC, des exemples montrent comment les problèmes d'optimisation liés à la nécessité de réduire la puissance dissipée et la consommation énergétique interviennent à différents niveaux pour prendre en compte les caractéristiques des dernières générations de technologie CMOS.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de nov. 2004 par Daniel ETIEMBLE
- Version courante de mai 2017 par Daniel ETIEMBLE
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Types de réalisation1. Technologie et circuits CMOS
La technologie CMOS étant devenue depuis les années 1980 la technologie des circuits intégrés dominante, nous commençons par présenter les caractéristiques essentielles de cette technologie. Elles nous permettront :
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de montrer la manière de réaliser les inverseurs, les portes NAND, NOR et certaines portes implantant des fonctions logiques plus complexes à l'aide d'une modélisation du fonctionnement des transistors MOS sous forme d'interrupteurs ;
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d'expliquer les problèmes, notamment de puissance dissipée et de consommation énergétique que l'on trouve dans les technologies CMOS les plus modernes.
1.1 Technologie CMOS
La technologie CMOS (pour MOS complémentaire) utilise deux types de transistors : les transistors nMOS et les transistors pMOS. Le schéma en coupe du transistor nMOS est présenté figure 1a. Le transistor nMOS est constitué d'une grille (en polysilicium) isolée par un oxyde (isolant) de deux zones de semi-conducteurs dopés n appelées source et drain. En fonction des tensions appliquées sur la grille, la source et le drain (voir équations ci-dessous), il existe ou non un canal n reliant le drain et la source et permettant la circulation d'un courant d'électrons. Le substrat est constitué d'un semi-conducteur dopé p.
Le schéma électrique du transistor nMOS est donné sur la figure 1b. L'existence d'un isolant entre la grille d'une part, les zones drain et source d'autre part, fait qu'aucun courant ne peut circuler entre la grille et le drain ou entre la grille et la source.
Le transistor MOS est donc un dipôle et un courant peut circuler ou non entre le drain et la source selon qu'il existe ou non un canal entre drain et source. Il n'y a pas de différence de nature entre la zone « drain » et la zone « source ». Ce sont les tensions appliquées qui déterminent le nom : pour un transistor nMOS, le courant (d'électrons) circule du drain (tension la plus élevée) vers la source (tension la plus basse) lorsque le transistor est passant. Pour un transistor pMOS, c'est la situation inverse : le courant de trous (absence d'électrons) circule de la source...
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Technologie et circuits CMOS
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BORKAR (S.) - Design challenges of technology scaling, - IEEE Micro, July-August 1999.
-
(2) - POLLACK (F. J.) - New microarchitecture challenges in the coming generations of CMOS process technologies, - MICRO 1999, disponible à l'URL http://research.ac.upc.edu/HPCseminar/SEM9900/Pollack1.pdf.
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(3) - BOHR (M.), MISTRY (K.) - Intel revolutionary 22 nm transitor technology, - http://newsroom.intel.com/docs/DOC-2032.
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(4) - * - ITRS, (International Technology Roadmap for Semiconductors), http://www.itrs.net/
-
(5) - ANCEAU (F.), BONNASSIEUX (Y.) - Conception des circuits VLSI du composant au système, - Dunod (2007).
-
(6) - CURRAN (B.) et al. - Power-constrained high-frequency circuits for the IBM POWER6 microprocessor, - IBM. J. Res&Dev, vol 51, no 6, November...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Conception des systèmes VLSI,
-
Évolution de l'architecture des ordinateurs
-
Hiérarchies mémoire : les caches,
-
Mémoires à semi-conducteurs – Composants et organisation,...
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