Chapitre 1 - Université de Moncton
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GELE5340 Circuits ITGÉ (VLSI) Chapitre 1: Introduction Contenu du cours • Introduction aux circuits intégrés ○ Dispositifs CMOS, processus de fabrication. Inverseurs CMOS et portes logiques. Délai de propagation, marge de bruit et dissipation de puissance. Circuits arithmétiques, interconnexions, et mémoires. Unités de logique programmables. Méthodologies de design. • Qu’y a-t’il à apprendre? ○ Comprendre le design et l’optimisation des circuits intégrés, par rapport aux différents paramètres: coût, vitesse, dissipation de puissance, fiabilité. GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 2 Contenu du cours • • • • • • • • Introduction: Défis du design Le MOSFET; l’inverseur CMOS Éléments de base Circuits logiques Portes logiques séquentielles Circuits arithmétiques Mémoires et circuits programmables. Circuits à très grande échelle GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 3 Circuits intégrés • Circuits ITGÉ: Intégrés à Très Grande Échelle (VLSI: Very Large Scale Integration). ○ Il s’agit des circuits intégrés contenant plusieurs milliers de transistors (et beaucoup plus, comme le Pentium IV, 230 millions de transistors). • Le cours comprend un survol des techniques de design des circuits à très grande échelle. • On verra les éléments de base qui servent à construire des circuits complexes. GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 4 Introduction • Qu’est-ce qui est différent dans le design de circuits intégrés maintenant par rapport au passé? • Est-ce que ça va changer dans le futur? GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 5 Le premier ordinateur Le « Babbage Difference Engine » (1832) 25 000 pièces Coût: £17 470 (en 1832) GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 6 Colossus • Le premier ordinateur électronique. ○ ○ ○ Construit en 1944 en Angleterre pour décoder des messages secrets allemands, pendant la 2e Guerre Mondiale. Seulement rendu publique en 2000. 5000 caractères par seconde. GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 7 ENIAC ENIAC: le deuxième ordinateur électronique (1946) Consommation: 160kW Dimension: 167m2. En 1995, en Pennsylvanie, on a reproduit la totalité de cet ordinateur sur une puce de 7.44x5.29 mm2. GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 8 Une révolution: le transistor Le premier transistor Bell Labs (1948) GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 9 Les premiers circuits intégrés Logique bipolaire, années 60 ECL 3-input Gate Motorola 1966 GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 10 Microprocesseur Intel 4004 Parmi les premiers microprocesseurs (1971) 2300 transistors Fréquence: 1 MHz Processus 10µm GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 11 Intel Pentium Core i7 2009 731 millions de transistors Fréquence: 3.0GHz+ Dimension: 296mm2 Technologie: 45nm GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 12 Loi de Moore • En 1965, Gordon Moore note que le nombre de transistors sur une puce double à tous les 18 à 24 mois. • Il prédit que la technologie des semiconducteurs doublera en efficacité à tous les 18 mois. GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 13 1975 1974 1973 1972 1971 1970 1969 1968 1967 1966 1965 1964 1963 1962 1961 1960 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1959 PAR FONCTION INTÉGRÉE LOG2NOMBRE DE COMPOSANTES Loi de Moore: prédiction Electronics, 19 avril 1965 GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 14 Nombre de transistors 1.0E+10 Itanium 2 1.0E+09 Itanium Pentium IV Transistors 1.0E+08 Pentium 1.0E+07 Pentium II 486 1.0E+06 286 386 1.0E+05 8086 1.0E+04 4004 1.0E+03 1970 8085 1980 1990 2000 2010 Source: Intel GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 15 Loi de Moore des transistors Transistors (MT) 1000 Croissance 2X en 1.96 ans! 100 Pentium® IV 10 486 1 386 286 0.1 0.01 P6 Pentium® pro 8086 8080 8008 4004 8085 0.001 1970 1980 1990 Année 2000 2010 Le nombre de transistors double à tous les 2 ans GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 16 Croissance des matrices (die) Die size (mm) 100 10 8080 8008 4004 8086 8085 286 386 P6 Pentium ® proc 486 ~7% croissance par an ~2X croissance en 10 ans 1 1970 1980 1990 Year 2000 2010 Matrice croît de 14% pour satisfaire la Loi de Moore GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 17 Fréquence 10000 Pentium IV Extreme Core Pentium IV HT Pentium IV i7 Xeon Pentium II Pentium Pro Fréquence (MHz) 1000 100 8086 10 1 0.1 1970 386 Pentium 486 8085 286 8080 8008 4004 1980 1990 2000 2010 Source: Intel La fréquence des microprocesseurs de pointe double aux 2 ans, mais est maintenant stagnant. GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 18 Dissipation de puissance 1000 Puissance (W) 100 10 1 0.1 0.01 1971 1974 1978 1985 1993 1997 2000 2004 2009 La puissance des microprocesseurs de pointe s’est finalement stabilisée GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 19 Puissance: problème grave Puissance (Watts) 100000 18KW 5KW 1.5KW 500W 10000 1000 100 Pentium® proc 286 486 8086 386 10 8085 8080 8008 1 4004 0.1 1971 1974 1978 1985 1992 2000 2004 2008 Année La consommation de puissance commence à être significative GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 20 Densité de puissance Densité de puissance (W/cm2) 10000 Fusée 1000 Réacteur Nucléaire 100 Pentium IV Prescott 8086 Plaque chauffante 10 4004 P6 8008 8085 Pentium® proc 386 286 486 8080 1 1970 1980 1990 2000 2010 Année Densité de puissance trop élevée pour maintenir les jonctions à de basses températures GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 21 Pas seulement les microprocesseurs Téléphones Cellulaires Small Signal RF Marché des téléphones cellulaires (Téléphones vendus) Power RF Power Management 1996 1997 1998 1999 2000 2003 2007 Unités 48M 86M 162M 260M 435M 520M 1.15G Analog Baseband Digital Baseband (DSP + MCU) GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 22 Défis en design digital Problèmes microscopiques: Problèmes macroscopiques: • Design à très haute vitesse • Temps de mise en marché • Interconnexion • Millions de portes • Bruit, diaphonie (crosstalk) • Abstraction de haut niveau • Fiabilité • Réutilisation • Manufacture • Propriété Intellectuelle • Dissipation de puissance • Performance globale • Distribution de l’horloge GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 23 Tendances de productivité 100,000 Logic Tr./Chip Tr./Staff Month. 10,000 1,000 100 58%/An Taux de croissance de la complexité 10 100 10 1 x 0.1 xx xx x 1 21%/An. Taux de croissance de la productivité x x 0.01 Productivité (K) Trans./Staff - Mo. 1,000 0.1 0.01 2009 2007 2005 2003 2001 1999 1997 1995 1993 1991 1989 1987 1985 1983 0.001 1981 Complexité Transistors Logique par Puce (M) 10,000 Source: Sematech Complexité croît plus vite que la productivité en design GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 24 Mise à l’échelle (scaling) • Pourquoi la mise à l’échelle? ○ La technologie diminue de 0.7 / génération. ○ À chaque génération, on peut intégrer 2X plus de fonctions par puce; le coût n’augmente pas de façon significative. ○ Le coût d’une fonction diminue d’un facteur 2 ○ Mais: ○ Comment faire le design de circuits avec de plus en plus de puces? La population d’ingénieurs ne double pas à tous les 2 ans. Il y a donc un besoin pour des méthodes de design efficaces. GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 25 Niveaux d’abstraction SYSTÈME MODULE + PORTE CIRCUIT TRANSISTOR S n+ GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton G D n+ 26 Niveaux d’abstraction • Les niveaux d’abstraction sont une composante importante du processus de design. • Le design de puces complexes (Ex: Pentium Core2 Duo) ne se fait pas au niveau du transistor; ça prendrait bien trop longtemps. • On design des blocs de bas niveaux, pour les intégrer dans des blocs de plus haut niveau, qui sont intégrés dans des blocs de niveau encore plus haut, et ainsi de suite. GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 27 Design • Pour bien comprendre le design d’un bloc, il faut bien comprendre le comportement des unités inférieures. • On commence donc le cours avec l’unité de base, le transistor. • Une fois l’étude du transistor complète, on étudie par après la porte logique de base, l’inverseur. • Après l’inverseur, on produira des portes plus complexes. • On termine avec des blocs complexes comme des additionneurs, multiplicateurs, etc. GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 28 Métrologie de design • Comment évaluer la performance d’un circuit numérique (porte, module, etc.)? ○ ○ ○ ○ ○ ○ Coût Fiabilité Extensibilité Vitesse (fréquence d’opération, délai) Dissipation de puissance Énergie requise pour une fonction GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 29 Coût des circuits intégrés • NRE: coûts non-récurrents d’ingénierie ○ ○ ○ Temps de design et effort, génération de masques Frais exceptionnels Ce sont des coûts qu’on doit payer que l’on ait 1 seul ou 1 millions de puces • Coûts récurrents ○ ○ ○ Traitement du silicium, mise en boîtier, testing Proportionnel au volume Proportionnel à la superficie de la puce GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 30 Coûts NRE augmentent GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 31 Disparition des fabricants Source: Simon Segars, VP, ARM GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 32 Coût de la matrice Une matrice (die) Tranche (wafer) Rendu à 12” (30cm) GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 33 Coût par transistor Coût de fabrication par transistor (Loi de Moore) coût: ¢-par-transistor 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.00001 0.000001 0.0000001 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 2003 2006 2009 2012 34 Rendement (yield) # de bonnes puces par tranche Y 100% Nombre total de puces par tranche Coût d' une tranche Coût d' une matrice Matrices par tranche Rendement diamètre de la tranche/22 diamètre de la tranche Matrices par tranche Aire de la matrice GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 2 Aire de la matrice 35 Défauts # de défauts/Aire Aire de la matrice Rendement de matrice 1 est approximativement 3 coût de la matrice f ( Aire de la matrice)4 GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 36 Quelques exemples (1994) Puce Niveaux métaux Largeur ligne Coût Tranche Def./ cm2 Aire mm2 Matrice/ Tranche Rendement Coût Matrice 386DX 2 0.90 $900 1.0 43 360 71% $4 486 DX2 3 0.80 $1200 1.0 81 181 54% $12 Power PC 601 4 0.80 $1700 1.3 121 115 28% $53 HP PA 7100 3 0.80 $1300 1.0 196 66 27% $73 DEC Alpha 3 0.70 $1500 1.2 234 53 19% $149 Super Sparc 3 0.70 $1700 1.6 256 48 13% $272 Pentium 3 0.80 $1500 1.5 296 40 9% $417 GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 37 Microprocesseurs de pointe • Ex: Intel Pentium® Core2 i7 ○ 731 millions de transistors, fréquence jusqu’à 3.33GHz, technologie 45nm (dimension minimale), 263mm2, consommation de puissance estimée à 130W max. • Ex: Intel Nehalem-EP (Xeon) ○ 2.3 billions de transistors, fréquence jusqu’à 3.2GHz, technologie 45nm (dimension minimale), consommation de puissance jusqu’à 130W GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 38 Mémoires Flash • C’est un gros marché en croissance. • Clés de mémoire peu dispendieuses $10 / 8GB • Disques durs pour portables disponibles GELE5340 – Gabriel Cormier, Université de Moncton 39 Conclusion • Les circuits intégrés ont beaucoup évolué et ont beaucoup de potentiel pour les années à venir. • Plusieurs défis intéressants: ○ Le but du cours est de comprendre ces défis et les solutions proposées. • Comprendre la métrologie de design des circuits intégrés est important. ○ Coût, fiabilité, vitesse, puissance et dissipation d’énergie. 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