ASIC et PLD
Les ASICs
Définition
Cette catégorie regroupe les circuits réalisés par un fondeur.
Un ASIC (Application Specific Integrated Circuit) est un circuit intégré adapté à une application particulière. La fonction réalisée est, dans la majorité des cas, numérique mais peut être analogique ou bien mixte.
Classification
Les circuits personalisés (full-custom)
Les circuits à la demande
- Ils sont directement conçus et fabriqués par les fondeurs.
- Avantages
- Haute densité d’intégration
- Performances élevées
- Inconvénients
- Temps de conception élevé
- Coût élevé
- Fabrication en très grande série.
Les circuits à base de cellules
- Cellules standards précaractérisées : cellules plus ou moins complexes de la porte logique au coeur de microprocesseur.
- Cellules implantées et précaractérisées au niveau physique par le fondeur.
- Choix des cellules dans une bibliothèque fournie par le fondeur.
- Avantages
- Temps de conception plus faible que les précédents
- Optimisation de l’utilisation de la surface
- Inconvénients
- Choix limité de cellules
- Coût encore élevé
- Fabrication en grande série
Les circuits semi-personalisés (half-custom)
Les réseaux prédiffusés
Les prédiffusés classiques (gate-array) représentés par la figure ci-contre.
- Rangées de transistors séparées par des réseaux d’interconnexions.
- Cellules déjà implantées mais pas les interconnexions.
Les mer de portes (sea of gates)
- Pas de réseaux d’interconnexions
- Un transistor peut servir pour la logique ou bien pour l’interconnexion.
Avantages
- Temps de conception plus faible que les précédents
- Coût plus faible
- Fabrication en moyenne série
Inconvénients
- Choix limité de cellules
- Perte de surface du au faible taux de remplissage après routage
- Temps de réponse plus faible (capacité d’interconnexion)
Les PLDs
Définition
Cette catégorie regroupe les circuits programmables par l'utilisateur.
Classification
Il se définissent en plusieurs catégories de la simple matrice de diode pour les technologies les plus anciennes aux CPLDs et FPGA pour les technologies les plus récentes et les plus performantes. Plus généralement le fait que ces technologies soient programmables pas l'utilisateur les rends plus accessibles. Cela fournit des avantages :
- Circuits entièrement personnalisable par l’utilisateur
- Reconfiguration rapide
- Coût faible
et bien sûr quelques inconvénients
- Perte de surface du au faible taux de remplissage après routage
- Performances plus faible par rapport aux ASICs
Les SPLDs
Les SPLD (Simple Programmable Logic Device) où l'on trouve les PALs (Programmable Array Logic) qui ont été les premiers circuits logiques programmables par l'utilisateur, suivi des GALs.
Les PALs
Ces circuits sont similaires aux PROMs, la structure interne est très proche, la seule différence est que dans les PROMs c'est le réseau OU qui est programmable alors que dans les PALs c'est le réseau ET qui est programmable, le réseau OU étant fixé à la construction.
- La technologie de connexion est une technologie fusible comme les PROMs
- La programmation se fait à l'aide d'un programmateur externe qui utilise un brochage spécifique pour la programmation
- On ne peut implémenter que des expressions booléennes de logique combinatoire de type minterms où les opérations OU de chaque sortie sont limitées par le réseau OU de sortie.
La figure ci-contre montre un PAL de 4 entrées, 4 sorties reliées aux sorties de fonction OU à 3 entrées. Chaque sortie peut donc être une expression booléenne de 3 minterms.
Sur la figure toutes les connexions du réseau ET sont établies, c'est l'état du circuit avant programmation. Comme pour les PROMs, la programmation détruit les connexions qui ne correspondent pas à l'expression booléenne. Ce processus de programmation est également irréversible.
Les GALs
Les GALs présentent une évolution des PALs, car les sorties disposent en plus d'une bascule D qui permet de réaliser des systèmes séquentiels comme des compteurs, registres, ... .
- Technologie flash qui permet la programmation in-situ sans déconnecter le circuit de l'application
- Solutions combinatoires et séquentielles
- Expressions booléennes également de type somme de produits limitées par le nombre d'entrées des fonctions OU des blocs de sortie
Comme les PALs, les GALs ne sont plus utilisés.
Cellule de sortie qui offre deux possibilités :
- sortie combinatoire sans passer par la bascule D
- sortie séquentielle qui permet d'utiliser la bascule D
Les CPLDs
On peut voir que le CPLD est un circuit qui groupe des blocs de type GAL autour d'une matrice d'interconnexion.
Ces circuits sont toujours utilisés quand la structure est suffisante pour l'application à implémenter.
- On a également une technologie Flash qui permet la programmation in-situ
- Il permet d'implémenter des fonctions combinatoires et séquentielles ainsi que des fonctions de calcul numériques simples.
Structure d'un bloc qui est proche de celle d'un GAL.
Les FPGAs
Le FPGA (Field Programmable Gate Array) est le circuit programmable, sans doute le plus utilisé.
Il est structuré comme une matrice de blocs configurables. Ces blocs sont reliés par des lignes d'interconnexions en ligne et en colonne. A chaque intersection se trouve une matrice de connexion qui permet d'établir les connexions entre lignes et colonnes de façon à établir un routage enter chaque bloc pour réaliser une fonction complexe qui peut être un système microcontrôleur complet que l'on appelle SOC (System On Chip).
La technologie des connexions est du type anti-fusible ou encore SRAM.
Structure simplifiée d'un CLB qui correspond à une machine à état avec 1 sortie.
Les blocs IOBs intègrent une structure avec ou sans bascule D comme dans les GALs.
Caractéristiques comparatives des technologies anti-fusible et SRAM
| Caractéristique | SRAM | Antifusible |
|---|---|---|
| Taille du bloc logique | + | - |
| Taille du système d’interconnexion | + | - |
| Performance d’un bloc logique | + | - |
| Quantité de canaux de routage | - | + |
| Rapidité de la technologie | - | + |
Les principaux fabricants de CPLDs et FPGAs qui se partagent le marché sont Xilinx, Intel (inclus Altera), Lattice et Microchip.
Synthèse et simulation
Cette synthèse se fait à l'aide de logiciels spécialisés et propriétaires des constructeurs de ces technologies. Les différences se situent dans l'étape qui dépend de la technologie du circuit. Le plus haut niveau de synthèse commun avec la simulation fait appel à un modélisation schématique comme on le fait en logique combinatoire et séquentielle. Mais on fait plutôt appel à des langages de description de matériel comme Verilog ou VHDL qui est présenté dans les chapitres suivants..