Conception des circuits VLSI
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00_Anceau Page 1 Vendredi, 9. février 2007 12:01 12 Chapitre 1 1 © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit. 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 départements 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 microprocesseurs [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 approfondie 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 2 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 permis 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…). Nb Tr Prévision Intel 1 000 000 000 100 000 000 Pentium 4 Celeron Pentium II PPC620 Pentium-Pro PPC601 Pentium MC68040 I486 10 000 000 1 000 000 INTEL MOTO / IBM MC68020 100 000 I386 I286 MC 68000 10 000 I8086 MC6800 1 000 1970 Figure 1.1 I8008 I4004 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Évolution exponentielle de la complexité des microprocesseurs (illustration de la loi de Moore) 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 proprement 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 prédiction est encore le simple prolongement du passé, aussi incroyable qu’il puisse être. 00_Anceau Page 3 Vendredi, 9. février 2007 12:01 12 1.2 L’évolution des circuits intégrés 3 Taille des motifs minimaux (microns) 100 55µm 12µm 10 6µm 5µm 4µm 3µm 2µm 1µm 1 800nm 350nm apparition des 250nm phénomènes 180nm 130nm 90nm quantiques 65nm 45nm prédiction Intel 0,1 0,01 1960 Figure 1.2 1.2 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Évolution de la taille des motifs minimaux de la technologie 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. © Dunod – La photocopie non autorisée est un délit. Les circuits intégrés utilisent deux types de composants actifs, appelés « transistors » : – 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 transistors à effet de champ, dont le débit est commandé par une tension, les transistors bipolaires se comportent comme des amplificateurs de courant.
