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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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Conception système
En anglais
1. Méthodes et modèles pour la conception
1.1 Évolution : de l’ASIC au système massivement multiprocesseur
Depuis la fin des années 1980 et la compilation de silicium, les outils d’aide à la conception de circuits intégrés ont évolué de façon significative. L’idée principale est d’augmenter le niveau d’abstraction lors de la conception et de laisser des outils automatiques traiter les étapes liées aux plus bas niveaux, souvent très fastidieuses et répétitives.
La conception de circuits intégrés de plusieurs dizaines de milliards de transistors ne peut s’envisager qu’avec des outils logiciels d’aide à la conception (outils de CAO), alors que les premiers circuits intégrés au début des années 1970 pouvaient être dessinés à la main. Les circuits intégrés développés pour une application spécifique sont appelés ASIC (Application Specific Integrated Circuit) (figure 1). L’augmentation de leur complexité, atteignant le million de transistors dans les années 1990, n’a été possible qu’avec une évolution des outils de CAO vers des outils automatiques de plus en plus puissants et interactifs.
Avec la complexité des applications dans les années 2000, notamment celles liées au multimédia (téléphonie mobile, jeux, DVD…), ces systèmes appelés systèmes VLSI évoluent vers les systèmes multiprocesseurs . Il s’agit alors de systèmes constitués d’un assemblage de plusieurs processeurs et de composants spécifiques (nommés IP pour Intellectual Properties ou ASIC). L’idée sous-jacente était de compenser la faible évolution de la fréquence d’horloge des systèmes VLSI par une parallélisation de l’architecture pour effectuer plusieurs traitements en parallèle, à l’aide de ressources spécialisées. Pour des raisons de coût et de fiabilité, tous ces composants sont placés sur la même puce. Ce sont les systèmes monopuces (system on chip) qui ont constitué les principaux composants dans...
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Méthodes et modèles pour la conception
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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