CCT MCE – Présentation des technologies de circuits intégrés

CCT MCE – Présentation des technologies de circuits
intégrés asynchrones, sans horloge
Présentation technique sur les circuits intégrés asynchrones (sans horloge), de leurs
avantages, inconvénients et de quelques exemples d’applications.
Quatre présentations ont été réalisées par la société TIEMPO. Cette société offre ses
services en matière de conception de circuits intégrés sans horloge et travaille également sur
leurs utilisations et l’évaluation de leurs robustesses face aux perturbations
électromagnétiques, aux irradiations ou encore face aux techniques d’intrusions dans le cadre
de produits sécurisés (e.g. carte à puce). Deux des présentations étaient dans ce cadre. Cette
société est composée de huit personnes.
Description des technologies asynchrone :
Les circuits intégrés asynchrones fonctionnent sans horloge externe pour cadencer leur
activité de traitement et de calcul. Le fonctionnement est uniquement basé sur la gestion des
événements.
Plusieurs mises en œuvres sont possibles mais le principe de base repose sur un mécanisme de
détection des données et d’acquittement de fin de traitements. Chaque unité de traitement
logique au cœur du circuit intégré identifie si de nouvelles données sont présentes sur ses
entrées et si le bloque logique suivant est prêt à recevoir une nouvelle information avant de
débuter sa propre activité. La conception de ces circuits impose par contre de ne n’utiliser
que de la logique combinatoire insensible aux aléas (ne tolère pas les glitch).
Quelques avantages et inconvénients
Il existe un manque au niveau des outils de conceptions car ils sont très majoritairement
dédiés à la conception des circuits intégrés synchrones. Les circuits intégrés asynchrones
peuvent toutefois être conçu avec une bibliothèque classique mais les outils de validation et
de vérification ne sont pas adaptés. Il faut aussi noter que la surface finale du silicium pour la
même fonction sera plus importante en technologique asynchrone, de 1,5 fois à plus en
fonction des choix technologiques. Ces valeurs peuvent fortement baisser avec l’introduction
de bibliothèque adaptée. La société TIEMPO travail sur tous ces aspects. Elle propose en
outre une technologie asynchrone « quasi insensible au délai » où le nombre de porte est de
1,2 à 1,6 fois plus important qu’en technologie classique.
Pour les circuits intégrés asynchrones le temps de calcul n’est donc pas fixe et imposé par une
horloge externe comme dans les technologies classiques. Il est directement dépendant des
opérations demandées, des opérandes et des conditions d’utilisations du circuit intégré.
L’avantage est donc d’avoir à disposition en sortie du circuit intégré des données dés que
celles-ci sont disponibles. L’inconvénient majeur est de devoir gérer cela au niveau du système
puisque les données ne sont pas présentes à un instant prédéfini. Il est par contre inutile de
fournir une horloge de fréquence généralement élevée au système.
Le second avantage apporté par ce type de technologie est au niveau de la consommation en
énergie électrique. L’absence d’horloge et la mise en activité uniquement quand de nouvelles
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données sont présentes induit une baisse de la consommation. Les circuits intégrés
asynchrones n’ont aucune consommation en absence de calcul à l’opposé des circuits intégrés
classiques où l’horloge génère de l’activité électrique et de la consommation même si aucun
calcul n’est attendu. Pour l’asynchrone la consommation électrique est donc extrêmement
faible (quasi nulle) si aucune action n’est demandée et elle est plus faible en cas de travail
comparée aux circuits intégrés synchrones. Seuls les bloques traitant l’information sont
activés et consomment (ce qui n’est pas le cas en synchrone).
Ceci a également pour effet de générer moins de perturbation électromagnétique que les
technologiques classiques. Les perturbations sont plus faibles car il y a moins de puissance
électrique consommée et elles ne sont pas centrées sur une fréquence fondamentale comme
dans le cas des circuits intégrés avec horloge. La sensibilité vis-à-vis des perturbations EMC
externes capable d’induire un mauvais fonctionnement est également moins forte. Le circuit
réagit et le temps de calcul se rallonge mais le fonctionnement reste correct. Pour les circuits
intégrés classiques, l’augmentation des temps de calcul interne peut induire une mise en faute
de la fonction.
Il apparaît au travers des différentes présentations que la sensibilité au niveau fonctionnalité
est globalement moins forte pour les technologies asynchrones. Les perturbations vont
ralentir le fonctionnement du circuit intégré mais les résultats donnés en sorties seront
corrects.
Conclusion
Le frein le plus important vis-à-vis de l’utilisation de ces technologies de circuits intégrés
sans horloge reste le besoin de changer l’approche et la façon de concevoir les systèmes. Il
est en effet plus naturel de concevoir et de penser un système d’un point de vue synchrone,
discrétisation du temps avec présence d’une horloge de référence. Les outils de conceptions
et la formation sont très majoritairement axés sur les technologies avec horloge.
Ces technologies asynchrones offrent à priori de nombreux avantages, moins sensible aux
perturbations externes, moins génératrices d’EMC ou encore baisse de la consommation
électrique. Il est toutefois important d’évaluer ces points qui sont généralement correct mais
qui peuvent être d’un intérêt mineur. Par exemple : la baisse de consommation ne sera pas
très avantageuse si le circuit est prévu pour avoir un fonctionnement permanent avec une
charge de travail importante.
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