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RÉSUMÉ
Cet article traite des principes généraux mis en œuvre 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 émérite 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 décrites pour mettre en évidence les compromis retenus entre vitesse, surface et consommation énergétique lors de la conception des différents types de circuits : circuits ASIC (spécialisés pour une application), circuits logiques programmables, notamment FPGA, 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 incontournables.
Les fondements des mémoires statiques (SRAM) et dynamiques (DRAM) sont présentés, ainsi que les grandes caractéristiques des circuits logiques programmables et leurs évolutions. 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 illustrent 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.
Un tableau de sigles et un tableau des symboles utilisés sont présentés en fin d'article.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de nov. 2004 par Daniel ETIEMBLE
- Version archivée 2 de août 2013 par Daniel ETIEMBLE
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1. Technologie et circuits CMOS
La technologie CMOS étant devenue depuis les années 1980 la technologie des circuits intégrés dominante, nous commençons par en présenter les caractéristiques essentielles. Elles nous permettront :
-
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 ;
-
d'expliquer les problèmes, notamment de puissance dissipée et de consommation énergétique, relevés 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 1 a . Ce transistor 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 (équations (1) (2) (3)), 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 1 b . 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 circule 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...
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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, disponible à l'URL http://research.ac.upc.edu/HPCseminar/SEM9900/Pollack1.pdf (1999).
-
(3) - BOHR (M.), MISTRY (K.) - Intel revolutionary 22 nm transistor technology. - http://newsroom.intel.com/docs/DOC-2032.
-
(4) - GARGINI (P.) - Roadmap : Past, Present and Future. - https://spcc2016.com/wp-content/uploads/2016/04/02-01-Gargini-ITRS-2.0-2.pdf.
-
(5) - ANCEAU (F.), BONNASSIEUX (Y.) - Conception des circuits VLSI du composant au système. - Dunod (2007).
-
(6) - RUSU (S.) et al - A 65-nm dual-core multithreaded Xeon®...
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