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RÉSUMÉ
Les progrès dans le domaine de la technologie des circuits intégrés associés au développement d’outils automatiques d’aide à la conception ont permis l’émergence de systèmes capables de contenir sur un seul circuit plusieurs dizaines de milliards de transistors (VLSI). Cet article présente l’ensemble des étapes de conception de ces circuits numériques (modèles, langages) et les étapes automatisées de synthèses comportementale, logique et physique. Il aborde aussi la conception de systèmes sur des architectures multiprocesseurs et les perspectives d’évolution de ces systèmes intégrés.
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The advancement of computer-aided design tools and microelectronic technology in the last decades has facilitated the emergence of integrated systems composed of tens of billions of transistors (VLSI). This article describes the different steps in digital system design: models, languages, and automated behavioral, logic and physical synthesis steps. The reader will also find some information on the design of multiprocessor architecture and the perspectives for these integrated systems.
Auteur(s)
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Frédéric ROUSSEAU : Professeur des universités - Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP (Institute of Engineering Univ. Grenoble Alpes), TIMA, Grenoble, France
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Olivier MULLER : Maître de conférences des universités - Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP (Institute of Engineering Univ. Grenoble Alpes), TIMA, Grenoble, France - Cet article est la version actualisée de l’article [E 2 455] intitulé « Conception des systèmes VLSI » rédigé par Frédéric ROUSSEAU et paru en 2005.
INTRODUCTION
Le marché des circuits intégrés est toujours en essor avec une croissance mondiale à deux chiffres en 2017 comme l’indique le comité WSTS (Word Semiconductor Trade Statistics). Ce marché est tiré par des champs applicatifs en forte croissante tels que le big data, généralement géré par des centres de données (data centers), mais aussi l’internet des objets (Internet of Things ou IoT), et l’informatique dans les nuages (cloud computing). Les objectifs ont aussi changé ces dernières années pour répondre aux enjeux sociétaux, notamment environnementaux, avec la réduction de la consommation énergétiques des circuits ou systèmes intégrés, mais toujours en recherchant la performance tout en optimisant le coût. On parle maintenant d’efficience, qui peut se traduire comme l’efficacité à moindre coût.
Dans ce contexte, certains types de systèmes intégrés ou non sur une même puce subissent une forte demande. Les systèmes embarqués, enfouis et mobiles sont cachés et se comportent comme de véritables ordinateurs (invisibles) [H 8 000]. Ils contiennent généralement un ou plusieurs processeurs, de nombreux périphériques (coprocesseurs d’aide au traitement, gestion des entrées/sorties, gestion de la communication), des éléments mémoire, et des composants dédiés au traitement intensifs, tels que les processeurs graphiques (GPU pour « Graphics Processing Unit ») ou reconfigurables tels que les FPGA (pour « Field Programmable Gate Array »). De telles puissances de traitement nous rapprochent du domaine du calcul haute performance, avec des architectures intégrant de nombreux processeurs, 72 processeurs pour le Tile-Gx72, 256 processeurs pour le MMPA de Kalray et 3 584 cœurs pour le Tesla P100 de Nvidia. De tels systèmes sont réalisés avec quelques dizaines de milliards de transistors.
Les outils automatiques d’aide à la conception de systèmes ont évolué et rendent possible l’intégration de ces milliards de transistors sur un seul circuit. Les outils et les méthodes de conception ont depuis les années 1980 fait le pas vers des niveaux d’abstraction plus élevés.
Ces nouvelles méthodes s’appuient sur des techniques et des outils largement utilisés en conception de circuits, et proposent aux concepteurs de systèmes de se focaliser sur des choix d’architecture et de technologie. Les étapes finales de conception sont alors effectuées par des outils automatiques.
Ce présent article fait le point sur les méthodes et les techniques de conception de systèmes et circuits numériques, depuis la spécification du système jusqu’à l’obtention des masques permettant de réaliser physiquement le circuit.
La première section présente les méthodes, les modèles et les langages utilisés dans les différentes étapes de conception de systèmes. Un flot classique de conception est ensuite présenté. Certaines étapes de la conception de systèmes intégrés, notamment la synthèse comportementale, puis la synthèse logique et physique, sont détaillées. La dernière section est consacrée à l’évolution des systèmes intégrés, d’abord en présentant les systèmes monopuces, puis en donnant quelques perspectives des réseaux sur puce.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire des termes utilisés.
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KEYWORDS
multiprocessor systems | integrated circuits | circuit design
VERSIONS
- Version archivée 1 de févr. 2005 par Frédéric ROUSSEAU
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Synthèse comportementale
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2. Conception système
2.1 Intérêt
Pendant de nombreuses années, les chercheurs et les industriels se sont focalisés sur les problèmes de conception et de représentation aux niveaux physique, circuit et logique des éléments de base des circuits intégrés (transistors, portes logiques) qui constituent les plus bas niveaux d’abstraction. Les outils informatiques d’aide à la conception se sont développés conjointement (simulateurs logiques, outils de synthèse) depuis la fin des années 1980 et font maintenant partie intégrante du processus de conception de circuits.
Cependant, les applications sont devenues très complexes et les contraintes économiques sont telles que le temps de mise sur le marché est de plus en plus court, et la durée de vie d’un produit est aussi très limitée dans le temps. Les chercheurs et les industriels travaillent maintenant à un niveau d’abstraction plus élevé, appelé niveaux systèmes, pour s’affranchir des détails de réalisation, et ne conserver que des informations sur le codage du comportement. À un tel niveau d’abstraction, le concepteur peut traiter des applications plus complexes, et choisir la technologie qui réalise le mieux chacune des parties du système tout en respectant les contraintes sans se préoccuper de la description explicite du niveau physique des ressources utilisées. La conception est ainsi plus rapide, et la partie bas niveau est réalisée par des outils automatiques.
Il est aujourd’hui admis qu’une solution efficace pour concevoir un système consiste à développer une partie comprenant un ou plusieurs processeurs, appelée partie logicielle, associée à une partie matérielle composée de plusieurs circuits ou fonctions spécifiques (ASIC ou IP). Ce type d’architecture de système tire bénéfice de la facilité de programmation des processeurs et des performances des ASIC.
Mais la réalisation sur une même puce de ces systèmes implique non seulement de concevoir l’ASIC (ou l’acheter à un tiers), mais aussi de concevoir toute la partie logicielle, c’est-à-dire l’assemblage de processeurs, avec les périphériques nécessaires au bon fonctionnement (mémoire et hiérarchie mémoire, réseaux de communication, périphériques d’entrées/sorties, contrôleurs mémoire et d’interruptions…). On peut aussi s’appuyer sur des architectures existantes et les faire évoluer en fonction des besoins,...
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Conception système
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AIRIAU (R.), BERGE (J.M.), OLIVE (V.), ROUILLARD (J.) - VHDL : langage, modélisation, synthèse. - Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (1998).
-
(2) - HUBNER (M.), BECKER (J.) - Multiprocessor System-on-Chip. - Springer (2011).
-
(3) - DE MICHELI (G.), BENINI (L.) - Networks on Chips. - Morgan Kaufmann (2006).
-
(4) - NIEMANN (R.) - Hardware/sofware Co-design for Data Flow Dominated Embedded Systems. - Kluwer Academic Publishers (1998).
-
(5) - GAJSKI (D.D.) - High Level Synthesis : Introduction to Chip and System Design. - Kluwer Academic Publishers (1992).
-
(6) - THOMAS (D.E.), MOORBY (P.) - The VERILOG Hardware Description Language. - Kluwer Academic Publishers (1991).
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Marché du semiconducteurs :
https://www.wsts.org/ (Word Semiconductor Trade Statistics)
Feuille de route des semiconducteurs :
https://irds.ieee.org/ (International Roadmap for Devices and Systems)
Société Kalray :
Société Tilera, maintenant Mallanox :
http://www.tilera.com/ et https://mellanox.com/
Forum MPSoC :
Laboratoire IM2NP :
CMP – CNRS :
Design and Reuse :
Cadence :
Synopsys :
Xilinx :
Altera :
https://www.altera.com/ puis https://www.intel.com
Mentor Graphics :
Accelize :
Laboratoire TIMA :
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