Langages pour la conception des circuits intégrés

La seconde moitié du XX^e siècle restera comme l’ère de l’invention puis de la prolifération des circuits intégrés et des systèmes électroniques fabriqués avec eux. Les calculateurs existaient avant, mais ils étaient mécaniques. Au XXI^e siècle, ces calculateurs devenus microprocesseurs ne seront plus qu’un composant d’un « système sur une puce ». Sur cette puce, on verra s’opérer d’autres mutations : optiques, micromécaniques (déjà maîtrisées), moléculaires, voire biologiques.

En fait, tous ces aspects ne sont que l’habillage de machines mathématiques. Ceci est toujours resté perceptible dans le domaine du logiciel où langages de haut niveau ou langage machine sont des variations plus ou moins rigoureuses, mais immatérielles, des notions de fonctions d’automates, d’algorithmes ou de processus.

Mais une machine, même mathématique, a besoin d’un support physique, de même que l’information a besoin du support de la masse et de l’énergie. Ce support, c’est le matériel électronique, circuits intégrés et périphériques, toute la quincaillerie électronique, en anglais le « hardware ».

L’invention des langages de conception des circuits (« Hardware Description Language » : HDL) – qui n’étaient pas encore intégrés – date du début des années 1960 aussi bien aux États-Unis qu’en Europe. Elle a été motivée par le désir de rester, pendant le processus de conception, aussi longtemps que possible à un niveau abstrait, et de repousser le passage à la réalisation physique jusqu’au moment où plus aucune décision ne peut être prise indépendamment de la technologie. Elle a aussi été une réponse à la croissance continue et exponentielle de la complexité des systèmes électroniques à concevoir, un problème commun au matériel et au logiciel, ce qui peut expliquer que la syntaxe des langages HDL a suivi avec un décalage raisonnable d’une dizaine d’années l’évolution des langages de programmation. À la fin des années 1960, elle était de type « Algol », une décennie plus tard de type « Pascal », puis dans les années 1980 de type « C » ou « ADA ». Ces langages HDL ont aussi intégré les concepts les plus avancés des langages de spécification de programmes. Au niveau de la spécification d’un système complet (circuits numériques, circuits analogiques, capteurs, logiciels) intégré sur une seule puce, il ne restera plus de différence. Quoique les langages HDL puissent décrire certaines des contraintes imposées par une technologie (temporelles, topologiques, fonctions de résolution...), celles-ci peuvent être traitées comme des paramètres externes. Le domaine du langage est celui d’objets abstraits, susceptibles théoriquement d’être réalisés avec n’importe quelle technologie, pour peu que des logiciels d’aide à la conception convenables soient fournis.

Cela crée une nouvelle situation. D’un côté, à cause de leur complexité qui ne peut plus être maîtrisée, même par de très grosses équipes de conception, les systèmes à concevoir nécessitent tous les logiciels d’aide à la conception (CAD) disponibles. Certainement, des logiciels CAD encore plus efficaces seront développés, mais réciproquement, les circuits conçus seront de plus en plus limités à ceux que les logiciels CAD du moment permettront de concevoir. La réutilisation de parties déjà développées en résulte. C’est la conséquence inéluctable de la divergence entre une complexité des circuits intégrés qui croît de 60 % par an selon la loi de Moore et de l’efficacité des logiciels CAD qui, elle, ne croît que de 20 à 25 % par an. Réutiliser de plus en plus de modules matériels ou logiciels, déjà conçus et testés, est la seule issue.

D’un autre côté, les descriptions en langage HDL vont rester indépendantes de toute réalisation, quoique de plus en plus précises et complètes : elles permettront plusieurs réalisations des mêmes sous-systèmes tout au long de générations successives de technologie. Chacun sait que c’était (avec la maintenance de la documentation des circuits) l’objectif principal fixé par le département de la défense américain (DoD) lorsqu’il lança l’appel à définition du VHDL (Very High Speed Integrated Circuits HDL). Les systèmes militaires durent plusieurs décennies et cela implique la mise à niveau continuelle du même système en termes de nouvelles technologies.

Les langages de spécification et de conception de circuits étaient certainement très en avance sur les besoins dans les années 1960, lorsque même les schémas de circuits étaient dessinés à la main. Pourtant, c’est l’âge des premiers outils de simulation logique ou électrique ou de synthèse logique à partir de descriptions en langage HDL. Aujourd’hui, il est tout simplement impossible de concevoir un ASIC (Application Specific Integrated Component) ou une FPGA (Field Programmable Gate Array) sans ces langages et le système de CAO (conception assistée par ordinateur) qui les accompagne. Nous verrons brièvement comment sont apparus les concepts qui ont progressivement conduit, de langage en langage, à VERILOG et VHDL, les deux standards en usage aujourd’hui.