CAO de SYSTEMES SUR PUCE: composants virtuels

M. Robert: CAO de systèmes sur puce
GDR Nanoélectronique : les composants ultimes et leurs alternatives
CAO de SYSTEMES SUR PUCE:
composants virtuels, réutilisation et reconfiguration
Michel ROBERT, Membre de L'Institut Universitaire de France
LIRMM, UMR CNRS /Université Montpellier 2, 161, rue Ada, 34392 Montpellier Cedex 5
Mél: [email protected]
L'évolution très rapide des technologies de
fabrication de circuits intégrés sur silicium (CMOS)
permet déjà de réaliser des systèmes numériques
complets intégrés sur une même puce: les SOC (pour
System On Chip). Les prévisions d'évolution faites par
la SIA (Semiconductor Industry Association) montrent
que le nombre de transistors par circuit va être multiplié
par un facteur 50 dans les 10 prochaines années. En
1998, un microprocesseur était composé d'environ 10
millions de transistors. En 2008, un circuit de référence
équivalent dont la surface ne sera que le double par
rapport à 98 (600 mm2) pourra être composé de près de
500 millions de transistors.: on prévoit ainsi d’atteindre
1 milliard de transistor sur une puce autour de 2010. Il
sera alors aisé (si les outils de CAO ont suivi
l'augmentation de la complexité) de concevoir des
systèmes parallèles, intégrer des contrôleurs de
périphériques ou des fonctions élaborées de manipulation
3D d'images tout en disposant d'une mémoire intégrée
donc à accès très rapide.
Ces systèmes hautement complexes doivent être
conçus de manière efficace car le temps d’arrivée du
produit sur le marché est un facteur crucial de réussite.
Ils doivent également être conçus et vérifiés de manière
sure car les coûts de fabrication sont tels qu’ils ne
tolèrent pas des tentatives multiples. Supposant une
conception efficace et une vérification/validation sure,
ces systèmes sur puce doivent tout de même être vérifiés
après fabrication car les technologies sous-microniques
actuelles ne peuvent toujours pas garantir un rendement
de 100%.
Qu’il s’agisse de conception ou de vérification
l’approche méthodologique fondamentale pour ces
systèmes est toujours la même du fait de la complexité
inhérente à ces systèmes. Dans une première phase, un
concept, sensé apporter une solution à un problème
posé, est mis en place. Dans une deuxième phase cette
solution est appliquée au niveau du système complexe à
travers un outil logiciel. A noter que le terme concept
peut désigner ici n’importe quel aspect de la conception
ou de la vérification: modèle de retard, modèle de
puissance, modèle de sensibilité aux radiations, modèle
de défaillances...
1-Outils de conception et de vérification
Devant les possibilités offertes par les technologies
de fabrication, les techniques de conception des systèmes
électroniques vont évoluer vers l'intégration de systèmes
de plus en plus complexes avec des durées d'obsolescence
de plus en plus courtes. Des blocs fonctionnels déjà
validés (y compris sur Silicium) appelés généralement
IP (pour Intellectual Property) devront être de plus en
plus utilisés. De ce fait, les outils classiques de
Conception Assistée par Ordinateur (CAO) dans les
domaines de la Microélectronique devront évoluer en
prenant de plus en plus en compte l'aspect système et le
recours au prototypage à des fins de validation. Les
classiques bibliothèques utilisées pour la conception des
Circuits Intégrés pour Applications Spécifiques (ASICs)
seront complétées, voire remplacées, par des bases de
données de composants virtuels dont la fonctionnalité
pourra correspondre à un coeur de processeur ou même à
un ordinateur complet avec sa mémoire et ses
entrées/sorties. Le concepteur d'ASICs a "manipulé" des
transistors pendant les années 80, des blocs fonctionnels
pendant les années 90; il assemble déjà, et il assemblera
de plus en plus des composants virtuels complexes ou
IPs pendant la prochaine décennie.
La conception réutilise; elle devient incrémentale et
flexible. A partir de blocs IPs, les concepteurs adapteront
rapidement le système à l'application visée. Dans les
années 80, à coté des outils graphiques (schématique,
dessin de masques, placement/routage), les concepteurs
de circuits intégrés disposaient de simulateurs électriques
au niveau transistor pour les fonctions analogiques et de
simulateurs au niveau porte pour les fonctions logiques.
A la fin des années 80, l'utilisation du langage VHDL
(comportemental et structurel) s'est généralisée. Ce
langage, initialement développé pour la modélisation et
la simulation, est également utilisé pour la description
comportementale ou RTL (transfert de registres) d'une
architecture logique pour la synthèse automatique Des
environnements de CAO permettent de vérifier la

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fonctionnalité du système à ce niveau d'abstraction par
des simulations de type flot de données. Ces outils sont
basés sur des modèles virtuels (codés en C). Ils
permettent également d'assembler et de co-simuler des
modèles virtuels décrits dans différents langages à des
niveaux d'abstraction différents.
La figure représente le flot de conception d'un
système sur silicium. La réutilisation de blocs affecte le
flot de conception sous plusieurs aspects. Il convient de
distinguer plusieurs niveaux de blocs réutilisables ou IP:
les “ hard-cores ” sont des blocs entièrement conçus et
optimisés pour une technologie donnée, les “ soft-
cores ” sont des blocs définissant une architecture au
niveau RTL. Du point de vue de l'utilisateur de blocs
réutilisables, il est nécessaire de faire le choix des blocs
qui permettront d'implanter efficacement le plus grand
nombre de fonctionnalités du système à un coût
acceptable. Le flot n'est alors pas complètement
descendant puisqu'il sera nécessaire de capturer pour les
blocs choisis leur comportement, d'obtenir des modèles
de simulation, pour finalement intégrer ces blocs dans le
système. En revanche, du point de vue du fournisseur de
blocs réutilisables, la notion primordiale est celle de la
conception en vue de la réutilisation (“ Design For
Reuse ”). Ainsi, un bloc IP pourra être défini pour une
application donnée, puis optimisé pour une technologie
cible. Le flot est alors vraiment descendant: le
comportement du bloc est d'abord décrit, puis son
implantation est progressivement raffinée.
Les recherches actuelles en CAO de SOCs se situent
à différents niveaux: spécification, modélisation,
synthèse, vérification, test. On parle de technologie de la
conception (“ Design Technology ”), notion qui
recouvre les algorithmes, les outils logiciels et
matériels, ainsi que les méthodes de conception des
systèmes.
2-Circuits et systèmes
Deux techniques de réalisation des systèmes
électroniques se dégagent:
• matériel standard: réalisations basées sur des
composants programmables au niveau matériel
(FPGA) ou logiciel (processeurs). Cette technique
souple est adaptée à la fabrication de prototypes ou
de petites/moyennes séries, et est accessible à un
grand nombre d’utilisateurs. Les solutions
technologiques apportées par les circuits
programmables de type FPGA (Field Programmable
Gate Array) permettent actuellement l'intégration de
1 million de portes logiques équivalentes sur le
même circuit. Ces circuits suivront l'évolution
technologique décrite plus haut, et contribueront à
une standardisation du matériel: la personnalisation
des systèmes se fera ainsi de manière croissante au
niveau logiciel. La reconfiguration de système
permettra une redéfinition du circuit à tout moment.
Des processeurs reconfigurables autoriseront
l’adaptation des opérateurs matériels en temps réel
avec les besoins de l’algorithme en cours
d’exécution.
• matériel spécifique: réalisations basées sur la
conception de systèmes sur puce (SOC) spécifiques,
en utilisant des composants virtuels (IP). Cette
technique permet d’obtenir les meilleures
performances techniques (vitesse, puissance, surface),
mais compte tenu des coûts (moyens humains,
logiciels, coûts des prototypes,..etc) elle est réservée
à des fabrications en grandes séries (téléphones
portables par exemple).
L’architecture d’un système sur puce sera composée
autour des éléments suivants:
• matériel partiellement reconfigurable, avec des blocs
FPGA, et des interconnexions reconfigurables,
• architectures composées de multiprocesseurs
hétérogènes (micro-controleurs, processeurs de
traitement numérique du signal,...etc.) et de blocs
IPs divers,
• - mémoires,
• - logiciel embarqué (ou enfoui).
Ces circuits devront fonctionner dans des
environnements de communications complexes en
s’adaptant rapidement à tout type de standard.
La course à la miniaturisation est une caractéristique
essentielle des technologies CMOS. Dans ce domaine,
miniaturisation et donc intégration sont synonymes de
performances. On intègre toujours plus de composants
sur un même substrat de silicium pour obtenir des
systèmes qui fonctionnent à des fréquences plus élevées,
qui consomment moins, qui ont plus de capacité
mémoire ou de ressources de calcul, qui présentent un
coût ou un encombrement moindre… L’art du
concepteur consiste à gérer un compromis entre tous ces
paramètres.
Les technologies de fabrication sont limitées par les
propriétés des matériaux et les lois physiques. Les outils
et méthodes de CAO de circuits sont limitées par la prise
en compte de l’ensemble de ces paramètres dans des
domaines d’applications divers:
• gestion de la complexité, optimisation et vérification
des systèmes,
• modélisation des niveaux électriques et topologiques
(“layout”: dessin des masques technologiques,
interconnexions de cellules,…), où les modèles

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doivent être suffisamment précis et simple pour
permettre des simulations dans des temps
raisonnables.
Math./info….
…. Techno./Phys.
Figure 1
Spécifications :
- Algorithme
- Performances
Système
Flot de données
Architecture Système :
- Optimisation des mémoires
- Partition Matériel/Logiciel
Librairies
de blocs
matériels
réutilisables
Librairies
d'objets
logiciels
réutilisables
Conception pour
la réutilisation
Conception pour
la réutilisation
Architecture
Matérielle
Architecture
logicielle
Choix de blocs
Choix d'objets
Modèles
De simulation
Synthèse
Matérielle
Compilation
Logicielle
Prototype
Système sur
Silicium