Conception de Systèmes Electroniques et Photoniques

Transcription

Opération N° 8 : Conception de Systèmes Electroniques et Photoniques
Opération n° 8
CONCEPTION DE SYSTEMES ELECTRONIQUES ET PHOTONIQUES
Responsable : F.Gaffiot, Professeur
Permanents
Laurent
Frédéric
Fabien
Ian
C ARREL
G AFFIOT
MIEYEVILLE
O'C ONNOR
Doctorants
IE
Pr
MdC
MdC
50 %
40 %
100%
50%
Pascal
Faress
Grzegorz
BONTOUX
TISSAFI -DRISSI
TOSIK
Thèse en 2002
Thèse en 2004
Thèse en 2003
Mots clés : Conception, Systèmes Multi-domaines, Modélisation, Circuits intégrés, Photonique Intégrée
Contexte et objectifs
Introduction
La période 1998-2002 a été marquée par le renforcement des opérations liées aux concepts de
1
l'intégration photonique pour la réalisation d'interconnexions optiques ; cependant les actions
antérieures aux programmes Hétéropt et Lambdaconnect se sont poursuivies avec le souci constant
de faire converger leurs objectifs avec ceux de ces programmes.
Résumé de l'activité scientifique (1998-2002)
La période qui s'achève a commencé avec l'arrivée au sein de l'équipe de Ian O'Connor, Maître de
conférences, ce qui portait les effectifs permanents du groupe à trois personnes.
2
3
En janvier 2000, G.Jacquemod et F.Gaffiot ont présenté leurs travaux en vue de l'Habilitation à
Diriger les Recherches. G. Jacquemod est devenu Professeur à Nice en octobre 2000, son départ est
compensé en 2002 par le recrutement de F.Mieyeville comme Maître de Conférences.
L'essentiel des ressources de l'équipe est, aujourd'hui, consacré aux programmes liés à l'intégration
de composants photoniques et optoélectroniques pour la réalisation d'interconnexions optiques onchip. Les compétences acquises antérieurement trouvent des applications dans la réalisation des
objectifs de ces programmes, elles concernent le développement d'outils de conception pour les
systèmes analogiques et la modélisation de systèmes multidomaines.
Développement d'outils de conception de systèmes analogiques
Ø Ian O'Connor était porteur, à son arrivée au LEOM, d'un projet (Rune) visant à définir un
environnement générique et ouvert d'aide à la conception de systèmes intégrés. Un flot de conception
peut être vu comme une succession d'étapes de synthèse (dans lesquelles on cherche à réaliser une
fonction complexe à partir de sous-fonctions de moindre complexité) et de vérification (dans lesquelles
on vérifie que les performances de la fonction synthétisée respecte bien le cahier des charges). Un
grand nombre d'algorithmes de sélection d'architecture (synthèse), de simulation (vérification) et
d'optimisation sont utilisés par les concepteurs. L'objectif de Rune est de proposer un environnement
ouvert permettant d'interfacer ces différents algorithmes
La première application visée dans ce projet (thèse de Faress Tissafi-Drissi) concerne les circuits de
conversion électro-optique et opto-électronique nécessaires à la réalisation de liens optiques.
1
Rapport d'activité du LEAME, juin 1998, pp.93-101, http://leom.ec-lyon.fr/activites/rapportact98.pdf.
G.Jacquemod : "Développement d'outils pour la CAO de systèmes analogiques et optoélectroniques : Modélisation comportementale pour
une approche système", rapport HDR, janvier2000.
3
F.Gaffiot : "Les langages de description comportementale dans la définition d'outils de conception, application aux systèmes optoélectroniques", rapport HDR, janvier2000.
Rapport d’activité 2002 du LEOM
95
2
Ø Dans le cadre de ces travaux de thèse, Pascal Bontoux a été amené à développer des outils
permettant de simuler des composants et systèmes photoniques, dans un environnement standard de
4
l'EDA .
5
Un code FDTD à deux dimensions permettant de simuler le comportement physique de composants
photoniques élémentaires (guides, coupleurs, micro-résonateurs…) a tout d'abord été développé, ce
code a été étendu à une analyse tridimensionnelle. Ce simulateur, couplé à l'environnement Cadence,
permet la simulation physique des composants photoniques intégrés mais n'est pas adapté à la
conception d'un système complexe à cause de contraintes excessives en temps de calcul et en
charge mémoire. Aussi, une bibliothèque de modèles comportementaux (écrits dans un langage
standard de conception électronique) est en cours de développement, elle permettra de simuler un
système photonique dans des temps compatibles avec la conception de systèmes complexes.
Modélisation de systèmes "multidomaines"
Après la thèse de Kimmo Vuorinen (Modélisation comportementale de composants optroniques pour
la simulation de systèmes de communication optique, 1999), un Accord de Recherche Amont (ARA) a
été conclu avec le CEA/LETI. Ce contrat qui s'est achevé avec la thèse de Fabien Mieyeville
(Modélisation de liaisons optiques inter-puces et intra-puces à haut débit, 2001), avait pour but de
modéliser, dans le langage comportemental standardisé VHDL-AMS, les phénomènes de propagation
6
optique et les composants optoélectroniques (VCSELs , photodétecteurs) nécessaires à un lien
optique destiné à transmettre des données entre machines. Cette démarche a permis de simuler dans
un environnement de CAO électronique standard un lien optique complet, dans le but d'intégrer la
communication optique de données dans le flot de conception de systèmes électroniques.
4
5
6
Electronic Design Automation
Finite Difference - Time Domain
Vertical Cavity Surface Emitting Laser
96
Plate-forme de conception intelligente
de systèmes intégrés multi-domaine
F.Tissafi-Drissi, I.O'Connor
Collaborations : Opto+ (A. Konczykowska), MAPLY (M. Moussaoui)
Soutien : Bonus Qualité Recherche ECL, 2001-2002
La diversification des composants submicrométriques présents dans les systèmes
intégrés et la complexité croissante de ces
derniers accroissent considérablement la
durée et le coût du cycle de conception. Il
devient essentiel de procéder, très tôt dans le
cycle de conception, à l'évaluation des
conséquences sur les performances globales
du système, des compromis qui porteront sur
ses différents sous-ensembles.
De nouvelles méthodologies de conception
deviennent alors indispensables pour dessiner
et explorer rapidement les "espaces de
conception" et pour anticiper les évolutions
1
technologiques . L'objectif de ce travail (initié à
l'arrivée de I. O'Connor en 1998 et objet de la
thèse de F. Tissafi-Drissi) est de mettre en
place une plate-forme (Rune) associant
algorithmes de dimensionnement et outils
d'évaluation standardisés, facilitant ainsi
l'implémentation de ces méthodologies pour
des systèmes intégrant des composants de
natures différentes.
Description de la plate-forme
Le cycle classique de conception itérative pour
un niveau hiérarchique est schématisé par la
figure 1.
par équation
La plate-forme Rune, développée en langage
Java, permet :
§
de créer des bases de données contenant
la description des objets à concevoir, des
méthodes génériques de dimensionnement et
des technologies cibles,
§
de projeter le cahier des charges sur les
objectifs que les algorithmes d'optimisation
cherchent à atteindre,
§
de structurer les différentes étapes du
cycle de conception (fig.2).
simulateurs
TOPOLOGIE
évaluation
performances
cahier des
charges
dimensions
fonction d'objectif
optimisation
par simulation
procédure
explicite
évaluation
traitement
postsimulation
équations harnais de
analytiques simulation
PLAN DE
algorithmes
itératifs
CONCEPTION
Fig. 2 : Architecture de la plate-forme
performances
cahier des
charges
dimensions
optimisation
procédure
explicite
algorithme
itératif
Fig. 1 : Cycle de conception itérative
pour un niveau hiérarchique
Dans ce cycle, on identifie le dimensionnement
des paramètres des sous-ensembles de l'objet
à concevoir, l'évaluation des performances
pour le jeu de dimensions courant et
l'ajustement itératif des paramètres jusqu'à ce
que les performances de l'objet respectent le
cahier des charges.
L'élément de base de cette architecture est
appelé topologie (un amplificateur transimpédance, par exemple), elle est constituée
de plusieurs éléments :
§
des
variables
de
conception
indépendantes (la résistance de contreréaction, le gain de l'amplificateur interne, la
capacité de la photodiode,…), utilisées pour
optimiser la topologie, et liées à ses
dimensions physiques par des relations
explicites,
§
des
indicateurs
de
performances
permettant d'évaluer de façon objective la
qualité
d'une
topologie
(le
gain
de
transimpédance, la bande passante, le taux
d'erreurs par bit,…). Ils peuvent être de deux
types :
1
R. Brederlow et al., "A Mixed-Signal Design Roadmap",
IEEE Design & Test of Computers, Nov-Dec 2001
97
-
-
un système d'équations d'évaluation,
formulées en fonction des dimensions
physiques de la topologie,
un harnais de simulation numérique,
qui instancie la topologie sous
certaines conditions de test et cible
des analyses spécifiques ;
§
des informations de synthèse, pour
quelques méthodes spécifiques de conception
(par
exemple, la procédure permettant le
premier dimensionnement).
La manière, dont ces éléments sont exploités
lors du processus de conception, est
2
formalisée par un plan de conception , qui
représente une séquence ou une boucle de
méthodes
de
dimensionnement.
La
bibliothèque
des
algorithmes
et
des
mécanismes de contrôle permet la création
d'un large spectre de plans. Deux types
d'algorithme
d'optimisation
sont
particulièrement étudiés
(en collaboration
avec le laboratoire MAPLY) :
§
l'optimisation
adaptative
(algorithmes
génétiques et recuit simulé) ;
§
l'optimisation qualitative, qui augmente le
rendement
de
méthodes
purement
quantitatives
par
l'introduction
de
connaissances sous forme d'heuristiques.
Les
méthodes
de
dimensionnement
nécessitent des moteurs d'évaluation afin de
déterminer l'adéquation de la topologie et de
générer un nouveau jeu de valeurs des
variables de conception. La rapidité et la
précision de l'évaluation sont critiques et, en
général, inversement proportionnelles. A un
haut niveau d'abstraction (au début du cycle
de conception), l'évaluation par des modèles
comportementaux permet une exploration
rapide de l'espace de conception. Par contre,
lorsque l'on s'approche du niveau physique, il
faut avoir recours à des méthodes d'analyse
fine
(simulation
électrique,
balance
harmonique, éléments finis). Ces différents
outils de simulation doivent cependant pouvoir
être invoqués et exploités de la même façon.
Nous avons donc développé une procédure
générique d'activation des outils de simulation
et une bibliothèque d'algorithmes de traitement
post-simulation permettant l'interprétation des
fichiers résultats.
Perspectives et valorisation
Les prochaines étapes du travail concernent la
finalisation de la plate-forme, et son application
à la conception de liens optiques à haut-débit.
2
G. Van der Plas et al., "AMGIE - A Synthesis
Environment for CMOS Analog Integrated Circuits", IEEE
Trans. CAD, vol. 20, no. 9, September 2001
Pour finaliser cette plate-forme, un moteur de
la gestion de la hiérarchie des topologies est
en cours de développement. Ce moteur doit
permettre :
§
de choisir une topologie parmi les
solutions disponibles dans la bibliothèque
(nous avons choisi un algorithme de logique
floue),
§
de transférer les dimensions d'un niveau
hiérarchique vers le cahier des charges du
niveau immédiatement inférieur (fig. 3).
niveau hiérarchique n+1
dimensions de
la topologie
cahier des charges
de la topologie
performances
plan de
conception
simulation
comportementale
harnais
décalage des
spécifications
variables de
conception
abstraites
conversion
abstraitephysique
performances
vérification
niveau
hiérarchique
n
harnais ou
équations
cahier des charges de la
sous-topologie
simulation
numérique
évaluation par
équations
harnais
dimensions de la
sous-topologie
niveau hiérarchique n-1
Fig. 8.3 : Gestion de la hiérarchie
Rune est, pour l'essentiel, fonctionnel et sera
mis en œuvre dans le cadre du projet Hétéropt
et dans le cadre d'une collaboration avec
Opto+.
En effet, Rune sera testé pour assister la
conception de circuits d'interface pour les
télécommunications optiques à très haut débit
3
(40-80Gbit/s) utilisant des HBT en technologie
InP. Ces circuits sont de type numérique
(multiplexeur,
démultiplexeur,
circuit
de
décision) et analogique (driver, circuit de
4
récupération
d'horloge,
préamplificateur) .
L'intérêt de la plate-forme pour cette
application réside dans le nombre élevé de
variables de conception et de critères de
performance (ce qui rend la conception difficile
et longue) et dans le fait que la technologie
utilisée peut être ajustée (les paramètres
technologiques constituent ainsi un degré de
liberté supplémentaire).
3
heterojunction bipolar transistor (transistor bipolaire à
hétérojonction)
4
P. André et al., "InP DHBT Technology and Design
Methodology for High-Bit-Rate Optical Communications
Circuits", IEEE J. of Solid-State Circuits , vol. 33, no. 9,
September 1998
98
Développement d’outils de simulation numérique
P. Bontoux, F. Gaffiot, G. Jacquemod
Collaborations : LEOM (X.Letartre)
Objectifs
Parallèlement aux études "technologiques"
visant à concevoir et optimiser les composants
élémentaires de la photonique intégrée, il nous
a semblé indispensable de développer des
outils d'aide à la conception permettant de
concevoir
des
systèmes
photoniques
complexes.
Les contraintes portant sur la conception de
systèmes (temps de simulation, en particulier)
conduisent
à
décrire
les
composants
élémentaires par des modèles de haut niveau,
fondés, en général, sur des équations
analytiques.
Cette
approche,
appelée
modélisation comportementale, est rendue
difficile dans le cas de la photonique intégrée
du fait de l'impossibilité d'écrire de façon
simple (analogue aux équations de Kirchhoff,
par exemple) les interactions entre les
composants élémentaires.
Nous avons donc résolu de développer un
simulateur physique qui permettrait d'une part,
de valider et d'optimiser la conception de
structures élémentaires et d'autre part, de
valider les modèles comportementaux de ces
composants élémentaires.
Notre choix s’est porté sur la méthode FDTD
(Finite-Difference Time-Domain) en raison de
son universalité et de sa simplicité d’utilisation
et d’implémentation.
L'algorithme FDTD
La méthode FDTD propose une résolution
directe des équations de Maxwell. Elle
consiste à discrétiser spatialement l'espace de
travail et à traduire les équations régissant les
champs électrique E et magnétique H par la
méthode des différences finies. La résolution
numérique du système d'équations obtenu
fournit la valeur du champ électromagnétique
en tout point de l'espace de travail et du
temps.
La seule limite de la méthode réside dans le
temps de simulation et la charge mémoire
qu'elle exige. En effet, les pas de discrétisation
spatiale et temporelle doivent être très
inférieurs à la longueur d'onde et à la période
optiques.
Résultats
Nous avons tout d'abord développé un code
FDTD à deux dimensions.
Une interface graphique conviviale a été
développée.
La figure 1 montre une fenêtre qui permet de
saisir les paramètres de simulation (pas de
discrétisation spatiale et temporelle, mode de
simulation (TE/TM), temps de simulation), les
conditions d’injection (injection d'un mode
guidé par l’intermédiaire d’une surface de
Huyghens, injection par un dipôle ou
initialisation par le fichier de résultats d’une
simulation antérieure) et les conditions aux
limites (de type Mur ou PML -Perfectly
Matched Layer-).
Fig.1 : Fenêtre principale du simulateur FDTD-2D
Les principaux résultats accessibles à la fin
d’une simulation sont les cartographies des
différentes composantes des champs et le
calcul de la puissance optique sur une surface
quelconque. Un algorithme FFT permet de
calculer la répartition spectrale de la puissance
optique.
Figure 2 : Cartographie du champ Ez pour le mode radial 1
et azimutal 20.
99
A titre d'exemple, la figure 2 donne le résultat
de simulation d’un micro-disque (rayon 2µm,
rapport d’indice 3.0/1.45) excité en mode TE
par un dipôle, et la figure 3 donne la répartition
spectrale des modes de résonance.
Figure 3: Détermination des modes résonnants du
microdisque
Conclusion
L'outil que nous avons développé est
opérationnel. Ce code, étendu à une analyse
tridimensionnelle, constitue un outil de
développement essentiel à tous les groupes du
LEOM impliqués dans la conception de
composants photoniques élémentaires. Il est,
par exemple à noter que cet outil, interfacé
avec la suite de conception Cadence, a permis
le dessin et la simulation des premiers
composants
passifs
nécessaires
au
programme Hétéropt.
100
Modélisation comportementale de systèmes multidomaines
F. Gaffiot, G. Jacquemod et F. Mieyeville
Collaborations : LETI (Belleville et al)
Soutien : Accord de Recherche Amont ARA ECL/LETI, 1999-2001
Objectif
L'expérience acquise sur la modélisation
comportementale de systèmes "multidomaine"
1
(travaux de Kimmo Vuorinen ), a permis la
conclusion d'un Accord de Recherche Amont
(ARA) avec le CEA/LETI. Ce contrat qui s'est
2
achevé avec la thèse de Fabien Mieyeville
avait pour but de modéliser, dans le langage
comportemental standardisé VHDL-AMS, les
phénomènes de propagation optique et les
composants
optoélectroniques
(VCSELs,
photodétecteurs) nécessaires à la transmission
optique de données entre machines. Ce type
de modélisation permet de simuler, dans un
environnement de CAO électronique standard,
un lien optique complet, et d'intégrer la
communication optique de données dans le flot
de conception des systèmes électroniques.
Les modèles de composants optoélectroniques
élémentaires permettent la simulation de la
transmission de données optique dans un
environnement de conception standard, ce qui
rend possible l'optimisation des circuits de
conversion d'émission et de réception (fig.2).
Résultats
Une bibliothèque de modèles de composants
optoélectroniques
(lasers
et
VCSELs,
photodiodes
PIN)
et
de
phénomènes
propagatifs (en espace libre et sur fibre
optique) a été écrite.
En particulier, le modèle de VCSEL intègre les
aspects optiques, électriques et thermiques de
son fonctionnement. Il s'agit d'un modèle de
"niveau composant" : il permet de relier les
caractéristiques
électriques
(courant
de
commande, tension aux bornes du composant)
et optiques (puissance optique émise) à ses
données structurelles et technologiques.
Le modèle de VCSEL a été validé grâce à des
structures réalisées au CEA-LETI (fig.1).
Figure 2 : simulation d'un échange de données
numériques à 450 Mbits/s (temps de simulation :
environ 3 heures sur une station Sparc Ultra 10)
a : séquence numérique d'entrée
b : courant de commande du VCSEL
c : puissance optique
d : courant détecté
Figure 1 : Validation du modèle du VCSEL :
l'erreur relative entre les résultats de simulation et
les résultats expérimentaux est inférieure à 5%
a
b
c
d
Ce travail de modélisation de composants
optoélectroniques et optiques a, de plus,
permis d'évaluer les aptitudes et les
insuffisances du langage VHDL-AMS pour la
modélisation et la simulation de systèmes
optiques.
Perspectives
Les travaux concernant la modélisation
comportementale de composants et systèmes
optroniques, initiés en 1996, atteignent
aujourd'hui
une
maturité
qui
permet
d'envisager des collaborations fructueuses :
- de premiers contacts avec Mentor Graphic
visent à assurer la diffusion des modèles de
lasers,
- la collaboration avec le CEA/LETI sera
renforcée dans le but de valoriser le travail
déjà effectué et de l'étendre à la modélisation
des VCSELs de nouvelle génération émettant
à 1.3 ou 1.55 µm.
1
Modélisation comportementale de composants
optroniques pour la simulation de systèmes de
communication optique, 1999
2
Modélisation de liaisons optiques n
i ter-puces et intrapuces à haut débit, 2001
101
102
Perspectives
Les différents projets menés dans cette opération visent à étudier des méthodes et développer des
outils de conception de systèmes multi-domaines. Dans la dernière période, conscients de la taille
modeste de notre groupe, nous avons cherché à faire converger leur dynamique propre vers les
objectifs des projets concernant les interconnexions optiques.
Modélisation comportementale de systèmes multidomaines
Cette action, la plus ancienne menée par notre groupe, a atteint une maturité qui permet d'envisager
des développements contractuels. Hormis une action de diffusion de ses principaux résultats par un
éditeur d'outils de l'EDA, nous pensons valoriser notre savoir faire en collaboration étroite avec notre
"partenaire historique", le groupe de Marc Belleville du CEA-LETI. Le recrutement de F.Mieyeville
comme Maître de Conférences, est un atout appréciable dans ce contexte.
Développement d’outils de simulation numérique
Cette action, qui est plus une conséquence des travaux préliminaires de P.Bontoux que le fruit d'une
volonté délibérée de développer des outils de simulation spécifiques, a permis de structurer des liens
étroits avec le groupe en charge de la conception et du développement technologique de composants
photoniques intégrés. La simulation FDTD est un outil indispensable au projet Hétéropt, il reste
néanmoins un effort considérable à fournir pour créer des outils originaux permettant de modéliser et
simuler les systèmes optiques intégrés.
Plate-forme Rune
Deux tâches essentielles sont à mener dans le cadre du projet Hétéropt : la conception des circuits
d'émission et de réception permettant la conversion optoélectronique et la comparaison des
performances des interconnexions optiques et métalliques pour les générations technologiques à
venir. La plate-forme logicielle Rune, grâce à son caractère générique et ouvert, est un outil adapté à
ces tâches. Par exemple, nous avons pour objectif de court terme, d'intégrer dans Rune toutes les
entités nécessaires à l'évaluation des performances d'un lien optique et d'un lien métallique complets,
ce qui permettra, en particulier, de définir les spécifications que doivent atteindre les composants
optoélectroniques et photoniques élémentaires pour assurer la viabilité des interconnexions optiques.
L'équipe "Conception de Systèmes Electroniques et Photoniques" souhaite donc poursuivre ses
activités de développement d'outils pour l'aide à la conception de systèmes intégrés. Bien sur, la taille
réduite du groupe le contraint à resserrer ses activités autour du thème fédérateur "interconnexions
optiques".
103

Conception de Systèmes Electroniques et Photoniques

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