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ELE3311 Systèmes logiques programmables Mohamad Sawan, ing., Ph.D. Stéphane Boyer, M.Sc.A. Philippe Levesque, ing., Ph.D. Historique des circuits programmables Architecture des FPGA Technologies de programmation FPGA vs. ASIC Outils de simulation Outils de synthèse. Chapitre 9: les circuits intégrés programmables et leurs outils de synthèse

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ELE3311 – Systèmes logiques programmables

Mohamad Sawan, ing., Ph.D.

Stéphane Boyer, M.Sc.A.

Philippe Levesque, ing., Ph.D.

▪ Historique des circuits programmables

▪ Architecture des FPGA

▪ Technologies de programmation

▪ FPGA vs. ASIC

▪ Outils de simulation

▪ Outils de synthèse.

Chapitre 9: les circuits intégrés

programmables et leurs outils de synthèse

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Historique des circuits programmables

▪ Circuits programmables de haute densité à partir de 1984.

➢ 1984 Xilinx LCA (FPGA)

➢ 1988 Actel FPGA anti-fusible

➢ 1989 Algotronix CAL1024 SRAM-FPGA

➢ 1991 Quicklogic pASIC anti-fusible

➢ 1991 Concurrent Logic CLi6000 SRAM-FPGA

➢ 1991 Crosspoint CP20K anti-fusible

➢ 1992 Intel iFX780 SRAM-FPGA

➢ 1993 AT&T ORCA SRAM-FPGA

➢ 1994 Pilkington/Motorola MPA1000 SRAM-FPGA

➢ 1995 IMP FPAA

➢ 1995 Pilkington/Motorola FPMA

➢ 1995 Plusieurs compagnies FPIC, FPCB, etc.

Références

'84: Macintosh (GUI)

'85: Intel 80386

'86: Macintosh

'87: Macintosh

'88: 1er Worm

'89: WWW

'90: Windows 3.0

'91: PowerPC

'93: Apple Newton

'93: NCSA Mosaic

'93: Intel Pentium

'95: Toy Story

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Historique des circuits programmables (suite)

▪ Différents domaines d'applications des FPGA

➢ Informatique

• Périphériques spécialisés

➢ Machinerie industrielle

• Contrôleur pour machines outils, balances, grues, presses, etc.

• Traitement d'images

➢ Télécommunications

• Filtrage

• Unité centrale (PABX)

➢ Instrumentation

• Équipement médical

➢ Transport

• Contrôle "Fly-by-wire"

• Prototypage

➢ Aérospatiale

• Satellite

➢ Militaire

• Radar

• Communication protégée

➢ Autres

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Architecture des FPGA

▪ Principales classes de circuits FPGA

➢ Matrice symétrique

Interconnexions

Blocs logiques

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Architecture des FPGA (suite)

▪ Principales classes de circuits FPGA (suite)

➢ Cellules placées en rangés

Interconnexions

Blocs logiques

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Architecture des FPGA (suite)

▪ Principales classes de circuits FPGA (suite)

➢ Matrice immense de portes

Blocs logiques

Interconnexions

par-dessus les blocs

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Architecture des FPGA (suite)

▪ Principales classes de circuits FPGA (suite)

➢ PLDs hiérarchiques

Blocs

logiques

(PLD)

Interconnexions

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Architecture des FPGA

▪ Circuits programmables et applications particulières

Compagnie Produits Technologie Description

Altera SAM

EPS4000

EPROM Microséquenceur1,

Générateur d'interruptions synchrone (32 I/O)

Cypress CY7C300 EPROM MSA programmable,

MSA à haute cadence (26 I/O)

Philip-Signetics PLUS405 Fusible Séquenceur logique programmable

(24 I/O, 55 MHz)

Aptix, I-Cube AX1024

IQ160

SRAM Module d'interconnexions programmable,

FPCB, carte programmable

Université de

Toronto

FPAA CMOS 1.2m

(Transconducteurs MOS)

Matrice programmable analogique

(Field Programmable Analog Array)

1- Pile, compteur, logique de contrôle de saut et microcode EPROM.

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Technologies de programmation

▪ Les éléments programmables

Élément

programmableRAM statique EPROM / EEPROM1

Antifusible

Diélectrique2 ViaLink3

Historique Xilinx Altera et al. Actel > TI QuickLogic

Ron (typ.) ~1-2 kohms ~1000 ohms ~500 ohms ~50 ohms

Coff (typ.) ~30-50 fF ~15 fF ~5-10 fF ~1 fF

Délai (appréciable) Moyen Court Court

Dimensions Très grande (6 T) Grande Moyenne (1 T) Petite (1 T)

Densité

Programmation RAMCharge > grille

Déch. par UV / Élec.

12 V, 10 mA, 1 ms

> PNP

11 V, 10 mA, 1 ms

> M-M

1- Utilisé comme "pull down", requiert une résistance "pull up", dissipation statique.

2- Requiert 3 masques supplémentaires et un transistor d'isolation pour protéger les circuits logiques.

3- Requiert 2 masques supplémentaires et un procédé basse température.

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Technologies de programmation (suite)

▪ RAM statique

➢ Compagnies

• Xilinx, AT&T, Toshiba, Altera, Plessy, Algotronix, Concurrent

➢ Avantages

• Reprogrammation "in circuit"

• Complètement testable à l'usine

• Design incrémental sans coûts additionnels

• Permet la logique multi-usage

• Technologie standard

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Technologies de programmation (suite)

▪ Antifusible

➢ Compagnies

• Actel, QuickLogic, Crosspoint

➢ Avantages

• Non-volatile

• Commutateur basse résistance

• Commutateur de dimensions réduites

• En majeure partie testable à l'usine

• Complètement testable dans le programmeur

Poly-Si

oxide

diffusion n+

diélectrique

substrat de silicium

L'antifusible PLICE

est l'élément clé

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FPGA

FPGA vs. ASIC

▪ Avantages des PLD et des prédiffusés (Gate Array)

PLD / EPLD

➢ Temps de développement

• Disponible sur demande

• Programmation par l'usager

• Reconfiguration rapide

➢ Faible risque (faible NRE)

➢ Multiples fournisseurs bancs

de développement

➢ Expertise minimale requise

Prédiffusés

➢ Haute densité de portes

➢ Nombre de ports (I/Os)

➢ Configuration des ports

➢ Architecture flexible

➢ Outils de développement

de haut niveau

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FPGA vs. ASIC (suite)

▪ Migration / Temps / Volume / Courbe de marché

PLD

FPGA

Gate ArrayVo

lum

e

Temps

Interval de migration

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FPGA vs. ASIC (suite)

▪ Revenus et date de mise en marché

Re

ve

nu

s

Temps (semaine)

Perte de

revenus

Perte de

revenus

FPGA / CPLD

10 semaines

16 semaines

Prédiffusé

(1ère version réussie)

Prédiffusé

(2e version réussie)

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FPGA vs. ASIC (suite)

▪ Nombre de portes sur un FPGA

(Xilinx, Virtex-II insert, février 2002)

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Parts de marché

(EE Times, https://www.eetimes.com/author.asp?section_id=36&doc_id=1331443)

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Familles FPGA de Xilinx

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Features Artix-7 Kintex-7 Virtex-7 Spartan-6 Virtex-6

Logic Cells 352,000 480,000 2,000,000 150,000 760,000

BlockRAM 19Mb 34Mb 85Mb 4.8Mb 38Mb

DSP Slices 1,040 1,920 5,280 180 2,016

DSP Performance

(symmetric FIR)1,129GMACS 2,450GMACS 6,737GMACS 140GMACS 2,419GMACS

Transceiver Count 16 32 96 8 72

Transceiver Speed 6.6Gb/s 12.5Gb/s 28.05Gb/s 3.2Gb/s 11.18Gb/s

Total Transceiver

Bandwidth (full duplex)211Gb/s 800Gb/s 2,784Gb/s 50Gb/s 536Gb/s

Memory Interface

(DDR3)1,066Mb/s 1,866Mb/s 1,866Mb/s 800Mb/s 1,066Mb/s

PCI Express® Interface Gen2x4 Gen2x8 Gen3x8 Gen1x1 Gen2x8

Agile Mixed Signal

(AMS)/XADCYes Yes Yes Yes

Configuration AES Yes Yes Yes Yes Yes

I/O Pins 600 500 1,200 576 1,200

I/O Voltage1.2V, 1.35V, 1.5V,

1.8V, 2.5V, 3.3V

1.2V, 1.35V, 1.5V,

1.8V, 2.5V, 3.3V

1.2V, 1.35V, 1.5V,

1.8V, 2.5V, 3.3V

1.2V, 1.5V, 1.8V, 2.5V,

3.3V1.2V, 1.5V, 1.8V, 2.5V

EasyPath Cost

Reduction Solution- - Yes - Yes

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DCM

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CMT

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CMT (Clock Management Tile) =

1 x mixed-mode clock manager MMCM),

1 x phase-locked loop (PLL),

1 x Phaser blocks

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Consommation

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CPLD : Coolrunner-II Xilinx

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Système embarqué

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FPGA vs. ASIC (suite)

▪ Frais fixes et volumes

(Xilinx, Virtex-II insert, février 2002)

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Outils de simulation

▪ Vivado Simulator

▪ Mentor Graphics

➢ QuestaSim

➢ ModelSim

▪ Synopsys VCS

▪ Cadence Incisive

▪ Aldec Active-HDL

(Xilinx, UG892)

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Outils de synthèse

▪ La plupart des fabricants de FPGA offre un outil de synthèse

▪ Il y a quelques fournisseurs indépendants

➢ Intel / Altera

• Quartus II

➢ Xilinx

• Vivado

➢ Microsemi / Actel

• Libero

➢ Synopsys

• Synplify

➢ Autres

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Outils de placement et routage (back-end)

▪ Chaque fabricant de FPGA offre un outil de placement et routage, de programmation, etc. spécifique à sa technologie

(Xilinx Wiki)

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Outils de gestion de la complexité

▪ Gestion des versions – Version control system

➢ Git, Subversion, ClearCase

➢ Synchronise les changements de multiples fichiers

➢ Gestion des conflits, unification, branches

▪ Gestion des problèmes – Issue tracking

➢ GitLab, GitHub

▪ Édition simultanée de fichiers de documention

➢ Microsoft Office (en ligne), Google G Suite