Circuits VLSI programmables

Circuits programmables 1Circuits VLSIprogrammablesAlain GUYOTTIMATIMATechniques de l'Informatique et de la Microélectroniquepour l'Architecture.

Unité associée au C.N.R.S. n° B0706Circuits programmables 2Du Micro au MicronMicroprocesseur, micro-ordinateur monoboitierCircuits programmables dynamiquementCircuits programmables statiquementTableaux, mer de portes (prédiffusés)Cellules précaractérisées (bibliothèque)Générateurs, compilateurs, dessin au micronEvolution rapidepetit volumefaible complexitéapplication figéegrand volumegrande complexitéCircuits programmables 3Circuits ASICune applicationun clientune applicationplusieurs clientspas de spécifications publiquesdes spécifications publiquesun fabricantplusieurs fabricantsÞÞÞÞ24% du marché mondial des IC en 1992 (13 000 M$)Styles: Tableau logique programmable Prédiffusé Précaractérisé Généré ou Compilé "fait main" full custommélangéCircuits programmables 4PlanPLAPrédiffusésPrécaractérisésGénérés/CompilésProgrammables dynamiquementComparaisonCircuits programmables 5Pla à fusible EntréesSortiesCircuits programmables 6Circuits prédiffusésTableau de portesMer ou Océan de portesCanaux de routageColonnes de portesMer de portesProgrammation par métallisationProgrammation par contactspuis métallisationCircuits programmables 7Circuits prédiffusés (2)Canaux de routageColonnes de portes³ 90% des ASICsUtilisation d'une bibliothèque de cellulesPlacement et routage automatiquePersonnalisation par métallisation1 à 3 niveaux de métallisationTransistors à emplacement fixeTransistors de taille fixePour circuits de faible ou moyenne complexité de petite série non critique en vitessecellule périphériqueprogrammable par masqueCircuits programmables 8Fabrication de prédiffusésP+ implantN+ implantpolysiliciumzone activepuitspassivationmétal 2viamétal 1contactphase de préparationphase d'ajustement à l'applicationpassivationmétal 2viamétal 1contactP+ implantN+ implantpolysiliciumzone activepuitscircuit entièrement dédiéCircuits programmables 9Fabrication de prédiffusés (2)PréparationStockagePersonnalisationMasquesstandardMasquesspécifiquesosCircuits programmables 10Exemple de fonctionssnnppnnppabcdabcdsabcdCircuits programmables 11Connexion de plusieurs portesMasseAlimDiffusionPolyCircuits programmables 12Tendance de complexité des prédiffusés1970198019902000103104105106nombre de portes / chip(1 porte »» 6 transistors)croissance 1,6 / anCircuits programmables 13Circuits précaractérisésCanaux de routageLignes de cellulesUtilisation d'une bibliothèque de cellulesTransistors dimensionnés pour le pire casInterconexions dans canaux de routageCellules assemblées en bandePlacement et routage automatiqueMélange avec macrocell ou full customPour circuits moyenne complexité de moyenne série (surface non optimisée) non critique en vitessemégacellmacrogénéréesCircuits programmables 14Bibliothèque de fonctions précaractériséesinvnandnorDQstatic DDQQstatic DinvVddVss(maître-esclave)ffLa bibliothèque ES2 1,5µ contient entre autres:inverseur,buffer,nand, and, nor, nor, xnor, xor, or-nand, and-nor, multiplexeur, 3-états, additionneur 2 bits cascadable, D flip-flop (maître esclave), D latch, avec set, reset ou les deuxresetCircuits programmables 15Exemple d'assemblageinvnandDQstatic DDQQstatic DinvinvinvinvCircuits programmables 16Famille de circuits programmablesCircuits à structure de PALCircuit à structure de PLACircuits à plusieurs tableauxCircuits microprogrammésCircuits à matrice partitionnéeCircuit à tableau de cellulesPALPLA, PLS (Programmable Logic Array)PLM (Programmable Macro Logic)PROSE (AMD), EPS (Altera)EP, MAX (Altera) CAL (Algotronix)LCA, FPGA (Xilinx)Circuits programmables 17Famille de circuits programmables (2)PLDs, PALs, EPLDs < 2K portes tableaux de portes ET/OU programmables programmés par EPROM, fusible ou antifusibleGate Array programmable < 5K portes interconnexions programmées programmé par SRAM, EPROM ou fusible blocs pré-définisGate Array, Mer de Portes <150 portes personnalisées par interconnexions (métal + contacts)Circuits programmables 18Circuits programmableRéseau régulier de fonctions élémentairesFonction de chaque cellule programmableConnexions des cellules programmableChargement du programme à la mise sous tensionProgrammation chargé dans bascules statiques répartiesPossibilité de programmation non volatileCircuits programmables 19Field Programmable Gate Arrayvers la logique de programmationvers la logique de programmationbloc fonctionnelAntifusibleTransistor à grille isoléeTransistor commandépar une basculeCircuits programmables 20ProgrammationAntifusibleTransistor à grille isoléeTransmission commandéepar une basculeAntifusible: 15 à 20 Volts (typ. 18 Volts) 10mA sur la connexionÞ Polycristal Oxyde Nitride OxydeÞ Polycristal conducteur (<100 W)oxydeépaispolydiffusion nEantifusiblebascule et porte de transmissionONOCircuits programmables 21Field Programmable Gate ArrayMarché en très forte croissanceIntermédiaire entre PAL et Gate Array (programmées par masque)Architecture : tableau de blocs logiques programmables canaux de routage interconnexions programmablesMéthode de programmation bascules reliées en série (reconfigurable dynamiquement) EPROM effaçable et reprogrammable ant