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)
Frédéric ROUSSEAU
: Professeur des universités - Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP (Institute of Engineering Univ. Grenoble Alpes), TIMA, Grenoble, France
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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La synthèse logique et la conception physique constituent la partie bas niveau (back-end) de la conception d’un système par opposition à la conception de haut niveau (front-end).
La synthèse logique est une étape de conception qui transforme une description RTL en un réseau de portes logiques (figure 13). Cette étape est maintenant réalisée automatiquement à l’aide d’outils de synthèse commerciaux très efficaces.
La conception physique correspond aux étapes ultimes de la conception des circuits intégrés (figure 13). Les résultats représentent l’implémentation pour obtenir le dessin des masques utiles à la fabrication du circuit. Les trois étapes principales sont le placement, le routage et la vérification du dessin physique (layout). Ces étapes de conception sont automatisées depuis les années 1980.
Les principes de base de la synthèse logique et de la conception physique sont développés dans .
4.1 Synthèse logique
La synthèse logique regroupe deux étapes qui sont effectuées séquentiellement : l’optimisation logique et la conversion (ou projection) technologique (technology mapping).
L’optimisation logique est appliquée pour réduire la complexité du modèle RTL. On cherche alors à limiter la redondance des calculs, tout en préservant la fonctionnalité du circuit. On utilise des techniques d’optimisation booléennes telles que l’algorithme de Quine/ MacCluskey développé dans les années 1950 ou d’autres versions améliorées qui réduisent le nombre de littéraux (un littéral est l’apparition d’une variable dans une équation) des équations booléennes, donc le nombre de portes logiques réalisant cette fonction.
Exemple :
la fonction f1 définie de la manière suivante :
...
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