- 1 -2004-2006

« System on Chip »ELEC3 – Option GSE / MI

Fabrice MullerPolytech’Sophia – Département Electronique

fabrice.muller@unice.frhttp://www.esinsa.unice.fr/~gse/

- 2 -System on Chip2004-2006

RéférencesLe cours a été réalisé par l‘utilisation d‘extraits des références suivantes:

Extrait de P. Marwedel, Univ. Dortmund, Informatik 12, 2003Archi 03 Roscoff – 4 avril 2003 – JP Calvez, « Spécification et conception conjointe des systèmes matériel/logicielDEA informatique Lille 2003/2004, Pierre Boulet, Jean-Luc Dekeyser, « Conception de systèmes embarqués, Problématique des systèmes embarqués »Web : http://www.ti.comWeb : http://www.st.comWeb : http://www.synopsys.comPrésentation du CEA à Helsinki (Projet AETHER), 2006

- 3 -2004-2006

System on Chip

La technologieLes applications SoC et outilsSystèmes sur puce « SoC : System on Chip »Vérification / ValidationConclusion

- 4 -System on Chip2004-2006

Conception & Fabrication de circuits intégrés

Logiciel (Sw)

Matériel (Hw)

Spécification Conception

Circuit Intégré (IC)Conception « Layout »

FabricationMasques

« Waffer »

PackagingTest

Circuit (Chip)

- 5 -System on Chip2004-2006

Maîtrise des techniques et des outils de CAO (1)

Niveau SystèmeSpécification

CodesignNiveau comportemental

Synthèse architecturaleNiveau RTL

Synthèse logiqueNiveau Logique

Synthèse physiqueNiveau Physique

Validation

Test

- 6 -System on Chip2004-2006

Évolution du domaine technologique1973

6 µm

Intel 80086000 Transistors

2 MHz

- 7 -System on Chip2004-2006

Évolution du domaine technologique1979

3 µm

Intel 808829000 Transistors

4,7 MHz

- 8 -System on Chip2004-2006

Évolution du domaine technologique1985

1,5 µm

Intel 80386275000 Transistors

16 MHz

- 9 -System on Chip2004-2006

Évolution du domaine technologique1993

0,8 µm

Pentium3 M Transistors

75 MHz

- 10 -System on Chip2004-2006

Évolution du domaine technologique1997

0,35 µm

Pentium 27,5 M Transistors

233 MHz

- 11 -System on Chip2004-2006

Évolution du domaine technologique2004

0,09 µm = 90 nm = 900 Å

Pentium 4125 M Transistors

3 Ghz MHz

- 12 -System on Chip2004-2006

Évolution du domaine technologique2006

0,07 µm = 70 nm = 700 Å

2 Cores

3 Ghz MHz

- 13 -System on Chip2004-2006

Évolution du domaine technologique2010

0,04 µm = 40 nm = 400 Å

>8 Cores

3 Ghz MHz

- 14 -System on Chip2004-2006

Évolution du domaine technologiqueLoi de Moore

90 65 45 32 nm 22 nm ITRS 200310010 1000 #PE

20102006cassure technologique !

20162005 Years2020

- 15 -System on Chip2004-2006

Évolution du domaine technologiqueEre nanométrique

95 97 99 01 05 07 10

1994 forecast

1997 forecast

1998 / 1999 forecast

Hal

f pi

tch

(nm

)

500

350

250

180

130

100

70

50

35

25

95 97 99 01 05 07 10

2000/2001 forecast

03

03

Nanoelectronicera

0.35µm node

0.25µm node

0.18µm node

0.13µm node

90nm node

65nm node

45nm node

- 16 -System on Chip2004-2006

Évolution du domaine technologiqueTendance pour les technologie CMOS

- 17 -System on Chip2004-2006

Évolution du domaine technologiquePrix par élément logique

Q1'93

Q1'94

Q1'95

Q1'96

Q1'97

Q1'98

Q1'99

Q1'00

40% plus bas par an !

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0.261

0.086 0.042 0.029Prix

(Nor

mal

isé

Q1/

1993

)

Source: Altera

- 18 -System on Chip2004-2006

Évolution du domaine technologiquePrix d’un Mégabit de mémoire

75 000 €1973

Les semiLes semi--conducteurs sont 1 million de fois conducteurs sont 1 million de fois meilleurs marchmeilleurs marchéé que dans les annque dans les annéées 1970 !es 1970 !

5000 €1977

400 €1981

30 €1987

120 €1984

5 €1990 0,5 €

1995 0,05 €2000

Source: Siemens

- 19 -System on Chip2004-2006

Évolution du domaine technologique Intégration technologique

- 20 -System on Chip2004-2006

Évolution des Performances

Technologies de fabrication

Conception du matériel

Conception du logiciel

≈ 60% par an

< 30% par an

< 10% par an

- 21 -System on Chip2004-2006

Évolution de la complexité

Génération

Com

plex

ité(lo

g)

Besoins

: 3G, 4

G, …

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

UMTSGPRSGSM

MIPS

Progrès Technologique «silicium » 58%

Progrès « Conception » +21%

1982 1992 2002 2012

- 22 -System on Chip2004-2006

Évolution des systèmes microélectroniques

FPGAµProc

AnalogiqueMémoire Mémoire

FPGA

FPGA

FPGA

FPGA

FPGA

A/D

D/A

// → ~

~ → //

?

µProc

Circuitstandard

Logique« ASIC »

RAM ROM

DSP

DemainDemain

MatMatéériel Spriel Spéécifiquecifique «« SoCSoC »»

MatMatéériel Standardriel Standard «« FPGAFPGA--basedbased systemsystem »»

Avant HierAvant Hier

Circuitstandard

Circuitstandard

Mémoire Mémoire

µProc

Analogique

Programmable(Hw & Sw)

Complexité

Performances

RéutilisationHierHier

FPGAµProc

Analogique

ASIC

Mémoire Mémoire

FPGA

ASIC

ASIC ASIC

Prototypage rapide

Programmable

Reconfigurable

FPGA > 1M portes

- 23 -System on Chip2004-2006

Le « SoC » en 2002

Technologie Portes Broches Fréquence Puissance Réutilisation

130 nm 100 M 1500 700 MHz 100 W 60%

RAMROM

DSP

µC

Analogique

- Coût de fabrication-Temps de conception- Performances électriques : la puissance (dissipation limitée, consommation)

- 24 -System on Chip2004-2006

Problèmes technologiquesCoût des masques

une limitation économique

Conséquence: L’intérêt pour les circuits programmables

- 25 -System on Chip2004-2006

Problèmes technologiquesLa consommation d’énergie

2002’04 ’06 ’08 ’10 ’12 ’14’160

1

2

Year

PDYNAMIC

PLEAK

Pow

er [µ

W /

gat

e]

0.01

0.1

1

10

1

10

100

0.01 0.1 1

VT

and

V DD

(V

)

TO

X (n

m)

VDD

VT

TOX

Physical Gate length (µm)

- 26 -System on Chip2004-2006

Problèmes technologiquesLes interconnexions

CR ⋅≈τ

lW

H

D

lW

H

D DHlk

DlWk

HWlRC

1

2

2 ρρτ =⋅==

- 27 -System on Chip2004-2006

Problèmes technologiquesSurface accessible pendant un cycle d’horloge

35 nm

70 nm

130 nm

180 nm

100 nm

- 28 -2004-2006

System on Chip

La technologieLes applications SoC et outilsSystèmes sur puce « SoC : System on Chip »Vérification / ValidationConclusion

- 29 -System on Chip2004-2006

Exemple

STMicroelectronics:Cellular Terminal Solutions

- 30 -System on Chip2004-2006

Définitions (1/2)Système

Toute « chose » constituée de parties organisées pour assurer une fonction ou un ensemble de fonctions dans son environnement

ArchitectureLa structure fondamentale et unifiante du système définie en terme de ses constituants, interfaces, liens, comportements et contraintesBasée sur un ensemble de conceptsDécrite par un ensemble de vues (perspectives) liées entre elles

Propriétés émergentesPropriétés résultant du couplage entre les constituants

Propriétés observés, voulues, exigéesPropriétés inattendues, interdites …

Importance de l’environnement (incertain, réactif …)

- 31 -System on Chip2004-2006

Définitions (2/2)Méthode

Technique de résolution de problème caractérisée par un ensemble de règles bien définies qui conduisent à une solution correcte

MéthodologieUn ensemble structuré et cohérent de modèles, méthodes, guides et outils permettant de déduire la manière de résoudre un problème

Modèleune représentation d'un aspect partiel et cohérent du «monde » réelprécède toute décision ou formulation d’une opinionest élaboré pour répondre à la question qui conduit au développement du modèle

- 32 -System on Chip2004-2006

OMAP 2420 - Texas Instrument (1/2)

- 33 -System on Chip2004-2006

OMAP 2420 -Texas Instrument (2/2)Including dedicated 2D/3D graphics accelerator at 2 million polygons per second Added imaging and video accelerator enables high-resolutionstill image capture, larger screen sizes and higher video frame rates Supports high-end features including 4+ megapixel cameras, VGA-quality video, high-end interactive gaming functionalityand analog/digital TV video output 5-Mb internal SRAM boosts streaming media performance Software compatibility with previous OMAPTM processors Parallel processing ensures no interruptions or degradation of service with simultaneously running applications Optimized power management companion chip, TWL9223012 mm x 12 mm, 325-ball MicroStar BGATM, 0.5-mm pitch

- 34 -System on Chip2004-2006

Nomadik – STMicroelectronics (1/2)Architecture

- 35 -System on Chip2004-2006

Nomadik – STMicroelectronics (2/2)Couches Logicielles

- 36 -System on Chip2004-2006

Besoin pour les PDA SoC-LP

- 37 -System on Chip2004-2006

Évolution des techniques et des outils de CAO

Années 1970/1980 : Conception « Full Custom »Simulation électrique Spice

Années 1980/2000 : Conception « Cell Based » + FPGARéutilisation du matériel (« standard cell »)Modélisation, Simulation, Synthèse

Année 2000/xxxx : Conception « SoCs »Réutilisation du matériel et du logiciel« CoDesign » HW & SWVérificationModélisation du circuit au système

VHDL / VERILOG

K

JH

Q

Q

IP ?

RTOS embarqué ?SystemC ?

- 38 -System on Chip2004-2006

Évolution des méthodologies coté circuits

- 39 -System on Chip2004-2006

Développer les systèmes différemment (1/2)

- 40 -System on Chip2004-2006

Développer les systèmes différemment (2/2)

- 41 -System on Chip2004-2006

Flot de conception aujourd'hui

x 5

x 10

- 42 -System on Chip2004-2006

Démarche de CoDesign

- 43 -System on Chip2004-2006

Constat aujourd'hui:Technology / Design Gap (1/2)

- 44 -System on Chip2004-2006

Constat aujourd'hui : Technology / Design Gap (2/2)

© Lauro RizzattiMarketing Vice PresidentEmulation & Verification Engineering (EVE)lauro@eve-usa.com