SYSTEMES INTEGRES ASYNCHRONES ET DE TRAITEMENT DES

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE
N° attribué par la bibliothèque
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HABILITATION A DIRIGER DES RECHERCHES
Spécialité : Micro et Nanoélectronique
préparée au laboratoire TIMA
Ecole Doctorale
« Electronique, Electrotechnique, Automatique, Télécommunications, Signal »
présentée et soutenue publiquement
par
Laurent Fesquet
Le 31 mars 2008
Titre :
SYSTEMES INTEGRES ASYNCHRONES
ET DE TRAITEMENT DES SIGNAUX NON UNIFORMEMENT
ECHANTILLONNES
JURY
M. Eric Martin , Président
M. Frédéric Pétrot , Rapporteur
M. Michel Robert , Rapporteur
M. Olivier Sentieys , Rapporteur
M. Marc Renaudin , Examinateur
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Remerciements
Je ne sais pas très bien quelle forme doit prendre une page de remerciements pour une
habilitation à diriger des recherches tant on est redevable à autrui. Néanmoins, je vais
m’efforcer de remercier l’ensemble des acteurs, nombreux, qui ont permis la production de ce
document.
Je remercie en premier lieu les rapporteurs de cette thèse, Michel Robert, Olivier
Sentieys et Frédéric Pétrot qui ont accepté d’analyser mon manuscrit et une petite décennie de
recherche sans horloge. Je remercie également Eric Martin et Marc Renaudin d’avoir accepté
de participer à ce Jury.
Je suis arrivé au laboratoire TIMA en septembre 1999 et depuis le temps s’est arrêté à
moins qu’il se soit écoulé trop vite. Je ne sais plus très bien car, en franchissant les portes du
laboratoire, tout est bizarrement devenu asynchrone. Rien n’était plus pareil. Plus de tic tac,
plus de signaux pour cadencer les circuits : bref une révolution ! Cette révolution, je la dois à
Marc Renaudin qui m’a initié à cette logique à contre-courant. Rapidement, je me suis aussi
approprié cette idée un peu folle et j’ai eu la chance de pouvoir la partager avec Marc bien sûr
mais aussi avec mon fidèle compagnon (désynchronisé lui aussi, cela va de soit) Gilles Sicard.
Je les remercie tous les deux très chaleureusement pour cette aventure un peu hors du temps !
Bien évidemment, cela n’aurait pas été possible sans nos anciens doctorants et
désormais docteurs : Jean-Baptiste Rigaud, Anh Vu Dinh Duc, Emmanuel Allier, Mohammed
Es Salhiene, Bruno Galilée, Laurent Alacoque, Jérôme Quartana, Kamel Slimani, Amine
Rezzag, Antoine Sirianni, Dhanistha Panyasak, Damien Caucheteux, Fraidy Bouesse, João
Fragoso, Fabien Aeschlimann, Bertrand Folco, Yannick Monnet, Vivian Brégier, Estelle
Labonne. Fort heureusement la relève est assurée, les doctorants sont toujours aussi jeunes et
motivés, contrairement à leurs encadrants, moins jeunes, mais tout aussi motivés ! Merci donc
à Aurélien Buhrig, Julien Goulier, Cédric Koch-Hoffer, David Rios, Eslam Yahya, Jérémie
Hamon, Khaled Alsayeg, Taha Beyrouthy, Livier Lizarraga, Saeed Mian Qaisar, Hatem
Zakaria, Hakim Zimouche, Fadi Abouzeid et Oussama Elissati. Le groupe a aussi bénéficié
de l’aide d’ingénieurs qui nous aident au quotidien et je tiens à les remercier ici pour leur
travail qui est indispensable à nos recherches. Je remercie Alejandro Chagoya, Robin Roland,
Bernard Bosc, Arnaud Baixas, Salim Renane, Yann Rémond, Nicolas Ninon, Grégory Lopin,
Sophie Dumont et Franck Paugnat qui ont su soutenir les efforts du groupe durant de
nombreuses années. Enfin, je remercie les nombreux stagiaires du groupe qui ont apporté leur
pierre à l’édifice.
Même si mon activité a été intense dans le groupe, j’ai néanmoins lié des collaborations
scientifiques au sein du laboratoire. Je pense notamment à Katell Morin-Allory, Dominique
Borionne et Nacer Zergainoh. Je les remercie d’avoir partagé avec moi leur expertise et je
m’excuse encore une fois d’avoir débranché le signal d’horloge !
J’ai également noué de nombreuses relations d’amitié avec des collègues qui m’ont
soutenu et encouragé dans mes travaux, la gestion quotidienne d’un groupe de recherche et la
rédaction d’un rapport appelé « Habilitation à Diriger des Recherches ». Merci à Alain Guyot,
Skandar Basrour, Dominique Borionne, Katell Morin-Allory, Lorena Anghel, Paul Amblard,
Pierre Gentil et Christian Schaeffer.
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Enfin, comment ne pas remercier mes trois femmes ! Clara et Iris, 3 ans toutes les deux,
Brigitte mon épouse qui, malgré les précautions prises pour limiter mes absences et réduire
mes journées de travail, ont tout de même été un peu victime de mon intense activité. Je les
remercie pour leur patience, leur compréhension et leur douceur.
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Sommaire
Partie I : Activités de Recherche................................................................................................ 9
I. Introduction ........................................................................................................................ 9
II. Conception de systèmes intégrés...................................................................................... 11
II.1 Introduction .............................................................................................................. 11
II.2 Les défis de la conception des systèmes intégrés.................................................... 11
II.2.1 Les difficultés d’une conception complètement synchrone ............................. 11
II.2.2 Spécificités des technologies submicroniques profondes ................................ 12
II.2.3 Contrôle de la puissance dans les SoCs ........................................................... 13
II.2.4 Vérification, test et surveillance des systèmes intégrés ................................... 13
II.3 Les systèmes globalement asynchrones ................................................................... 14
II.3.1 Communications dans les systèmes sur puce................................................... 14
II.3.2 Synchronisation dans les GALS....................................................................... 15
II.3.3 Arbitrage et synchronisation ............................................................................ 15
II.3.4 Réseaux de communication sur puce flexibles et extensibles.......................... 22
II.4 La gestion de l’énergie ............................................................................................. 26
II.4.1 Contrôle local de l’énergie ............................................................................... 26
II.4.2 Gestion de l’énergie au niveau système ........................................................... 27
II.5 Les systèmes reconfigurables................................................................................... 31
II.5.1 Nécessité des systèmes configurables.............................................................. 31
II.5.2 Les circuits programmables et la logique asynchrone ..................................... 32
II.5.3 Les circuits programmables dédiés à l’asynchrone.......................................... 35
II.5.4 Les systèmes configurables sécurisés .............................................................. 38
II.6 Conclusion................................................................................................................ 39
III. Flot de conception des circuits asynchrones ................................................................ 41
III.1 Les différentes méthodes de conception .................................................................. 41
III.1.1 Méthodes de spécification................................................................................ 41
III.1.2 Spécifications basées sur des graphes .............................................................. 42
III.1.3 Spécifications basées sur un langage de description........................................ 42
III.1.4 Tour d’horizon des méthodes de synthèse ...................................................... 43
III.2 Modélisation des circuits asynchrones en CHP ....................................................... 47
III.2.1 Le langage CHP ............................................................................................... 47
III.2.2 Les extensions de CHP..................................................................................... 48
III.2.3 DTL : une forme synthétisable de CHP ........................................................... 49
III.3 La synthèse des circuits QDI.................................................................................... 49
III.3.1 Le format intermédiaire PN-DFG .................................................................... 49
III.3.2 Transformations et vérifications du réseau de Petri......................................... 50
III.3.3 Structure du circuit cible QDI .......................................................................... 51
III.3.4 Méthode 1 : Synthèse QDI avec des équations de dépendances...................... 51
III.3.5 Méthode 2 : Synthèse QDI avec des graphes de données multi-valués........... 55
III.4 La synthèse des circuits micropipeline..................................................................... 59
III.4.1 Modèle de circuits cibles.................................................................................. 59
III.4.2 Flot de conception des circuits micropipeline.................................................. 59
III.5 Génération de moniteurs à partir d’une expression logico-temporelle .................... 60
III.5.1 Les langages de spécification de propriétés ..................................................... 61
III.5.2 Etat de l’art....................................................................................................... 62
III.5.3 Génération des moniteurs asynchrones............................................................ 62
III.6 Conclusion................................................................................................................ 64
IV. Traitement des signaux non uniformément échantillonnés.......................................... 65
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