Conception des circuits VLSI

© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
C hapitre 1
1
Introduction
L’objectif de cet ouvrage est de présenter les techniques de conception des circuits
intégrés CMOS complexes. La conception de circuits électroniques logiques a débuté
dans les années 1950 avec le développement du RADAR et des premiers ordinateurs.
Elle s’est ensuite développée, surtout aux États-Unis, dans l’industrie et dans les dépar-
tements d’Electrical Engineering des grandes universités américaines, au cours des
années 1970 et 80 avec l’apparition des microprocesseurs VLSI nMOS puis CMOS.
Les centres de recherche se sont intéressés à cette discipline à partir du milieu des
années 1970 avec l’implication d’informaticiens qui souhaitaient réaliser des micro-
processeurs [ANC86]. La publication internationale de l’ouvrage de Mead et Conway
[MEA80] joua le rôle d’un véritable détonateur. Du jour au lendemain, de nombreuses
équipes de recherche se mirent à dessiner des circuits. Des organisations furent mises
sur pied pour permettre la réalisation de circuits universitaires. Malheureusement,
tous les pays concernés ne surent pas retirer le même profit de cet élan.
La maîtrise de la conception des circuits intégrés VLSI est une condition nécessaire
au développement d’une industrie électronique performante. Alors qu’une seule chaîne
de fabrication permet la réalisation de nombreux circuits différents, la conception de
ces circuits (souvent spécifiques aux besoins de l’industrie) nécessite de nombreux
concepteurs, ce qui ouvre de larges perspectives professionnelles dans cette discipline.
L’étude de la circuiterie VLSI fait appel à tout un ensemble de notions qui ne font
pas partie des cursus habituels de physique et d’informatique. Certains ne sont pas,
ou plus, enseignés. Ils font partie du savoir-faire des concepteurs de circuits intégrés
complexes, comme par exemple la technique des circuits polyphasés. Une étude appro-
fondie de l’ensemble des sujets abordés nécessiterait d’écrire une encyclopédie.
Nous avons donc choisi de ne traiter que les éléments importants de chaque domaine
00_Anceau Page 1 Vendredi, 9. février 2007 12:01 12

2 1 • Introduction
et de négliger les domaines qui ne comportent pas de spécificité microélectronique,
pour pourvoir disposer d’un point de vue global sur cette discipline et permettre ainsi
son approfondissement ultérieur.
1.1 L’ÉVOLUTION TECHNOLOGIQUE
Depuis une cinquantaine d’années, l’évolution de la complexité des circuits intégrés
double tous les 18 mois (loi de Moore [MOO65]). Cette évolution exponentielle a per-
mis de réaliser, de manière monolithique, des organes électroniques de plus en plus
complexes qui étaient auparavant réalisés sous la forme d’armoires (par exemple : des
processeurs, des mémoires, des commutateurs téléphoniques…).
Le principal moteur de cette évolution réside dans la diminution régulière de la taille
des motifs de dessin des circuits intégrés. Partis de quelques dizaines de microns
dans les années 1960, ceux-ci sont maintenant de 60 nm en 2006, et tout montre que
cette évolution n’est pas terminée.
La capacité de l’industrie microélectronique à poursuivre cette évolution est pro-
prement incroyable. Elle surprend tout le monde, y compris les experts. Ceux-ci, réunis
au sein d’une organisation appelée SIA ( Semiconductor Industry Association ), publient
régulièrement des prédictions (appelées ITRS pour International Technology Roadmap
for Semiconductors ) qui s’avèrent systématiquement sous-évaluées pour un futur
qui dépasse trois ans, c’est-à-dire l’horizon de leurs recherches. La meilleure prédic-
tion est encore le simple prolongement du passé, aussi incroyable qu’il puisse être.
1 000
10 000
100 000
1 000 000
100 000 000
1 000 000 000
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
10 000 000
INTEL
MOTO / IBM
I800
MC6800 I8086
MC 68000
MC68020 I386
I286
Nb Tr
8
I4004
ium-Pro
Pentium
Pent
PPC601
MC68040 I486
Pentium II
Celeron
Pentium 4
PPC620
Prévision Intel
1 000
1 000 000
100 000 000
1 000 000 000
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
10 000 000
10 000
100 000
INTEL
MOTO / IBM
I800
MC6800 I8086
MC 68000
MC68020 I386
I286
Nb Tr
8
I4004
ium-Pro
Pentium
Pent
PPC601
MC68040 I486
Pentium II
Celeron
Pentium 4
PPC620
Prévision Intel
Figure 1.1 Évolution exponentielle de la complexité des microprocesseurs
(illustration de la loi de Moore)
00_Anceau Page 2 Vendredi, 9. février 2007 12:01 12

1.2 L’évolution des circuits intégrés 3
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit.
1.2 L’ÉVOLUTION DES CIRCUITS INTÉGRÉS
L’évolution des circuits intégrés est certainement l’aventure technologique la plus
fabuleuse de l’histoire humaine. L’ampleur des progrès réalisés dépasse de loin tout ce
qui a été fait dans les autres domaines, y compris l’aviation et le spatial.
Les circuits intégrés utilisent deux types de composants actifs, appelés « transis-
tors » :
– Les transistors à effet de champ , proposés par J.E. Lilienfeld en 1925-1928 [LIL33],
mais pratiquement réalisés par M.M. Atalla, D. Kahng et E. Labate fin 1959. L’idée
maîtresse de ces composants était la transposition à l’état solide d’une triode.
Ceux-ci ont été appelés FET puis MOS-FET, puis MOS. Ils ont successivement été
réalisés avec des grilles métalliques (technologie PMOS grille alu) puis avec des
grilles en polysilicium (technologie nMOS) puis sous forme complémentaire
(technologie CMOS).
– Les transistors dits « bipolaires », découverts sous une première forme (transistors à
pointes) par J. Bardeen et W.H. Brattain aux laboratoires Bell le 23 décembre 1947
[BAR50], puis sous leur forme définitive (transistors à jonctions) en 1948 par
W. Shockley [SHO76] au terme d’une étude théorique. Contrairement aux transis-
tors à effet de champ, dont le débit est commandé par une tension, les transistors
bipolaires se comportent comme des amplificateurs de courant.
Taille des motifs minimaux (microns)
100
12µm
55µm
10
0,01
1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
0,1
1
prédiction Intel
130nm
350nm
800nm
1µm
2µm
3µm
4µm
5µm
6µm
apparition des
phénomènes
quantiques
45nm
90nm
250nm
180nm
65nm
Figure 1.2 Évolution de la taille des motifs minimaux de la technologie
00_Anceau Page 3 Vendredi, 9. février 2007 12:01 12