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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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2. Types de réalisation
Après avoir présenté la technologie CMOS, la réalisation des portes élémentaires dans cette technologie et les problèmes énergétiques liés à l'évolution des générations CMOS successives, il est nécessaire de s'attarder sur les grandes classes de circuits qui utilisent les portes élémentaires, ainsi que les différentes méthodes de conception.
2.1 Classes de circuits
Pour réaliser une fonction donnée, il existe un spectre d'approches possibles selon différents critères dont les principaux sont :
-
vitesse ;
-
dissipation ;
-
surface ;
-
réalisation câblée ou réalisation programmée.
La figure 17 présente les différents types de circuit, classés selon trois critères :
-
programmabilité ;
-
puissance dissipée ;
-
performance.
Les ASIC (Application Specific Integrated Circuits), circuits intégrés optimisés au niveau le plus bas (transistors) pour une application particulière, sont les plus performants et consomment le moins. La fonctionnalité réalisée étant « câblée » au niveau matériel, ils ne peuvent exécuter que cette fonctionnalité. À l'autre extrémité du spectre, les processeurs sont conçus pour exécuter n'importe quel programme via leur jeu d'instructions [H 1 000], [H 1 058]. La possibilité de programmation logicielle s'obtient au détriment de...
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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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