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Synchronisation et distribution Synchronisation et distribution d'horloges dans les circuits complexes d'horloges dans les circuits complexes
(SOC)(SOC)
François ANCEAUProf. CNAM émérite
Chercheur au Lip6/SOC
Projets ANR HODISS - HERODOTOS
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Evolution des Circuits IntégrésEvolution des Circuits Intégrés
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Evolution de la taille des motifs de
gravure
Aucun fléchissement constaté !
10 nm ≈ 100 atomes !
Pendant encore combien de temps ce rythme effréné d'évolution technologique
va-t-il durer ?0,01
0,1
1
10
100
1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Minimum feature size (microns)
800nm1µm
2µm3µm
12µm
55µm
130nm180nm
250nm350nm
45nm65nm
90nm
32nm22nm
10nm
4µm5µm6µm
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Vitesse des portes CMOS
avec k = 1,38 à 1,45
1
100
10000
1 100 10000
Techno (nm)
T transit (ps)
32nm
90nm
350nm
600nm
100
10
10
Ttransit 1
Ttransit 2
≃(Tech2
Tech1
)k
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Evolution du nombre de transistors par circuit
La progression récente de la
complexité des circuits tendrait à
outrepasser la loi de Moore ?
1 million
1 milliard
(De Wikipedia)
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COMPLEXITE DU DESSIN D'UN CIRCUIT INTEGRE
Le dessin d'un circuit intégré complexe peut être comparé à:
la carte d'un continent carré de 4600Km de coté avec des détails de 10m (ex. routes)
une carte routière de 23m de côté au 1/200 000
une tapisserie de 1200m de côté avec des nœuds au pas de 2,5mm
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Au même titre qu'un continent est structuré en états, un circuit complexe est structuré en entités fonctionnelles (processeurs spécialisés ou non, mémoires, entrées-sorties.....) interconnectées.
Un tel circuit prend alors le nom de SOC (System On Circuit)
Systèmes complexes
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Vitesse X 1 000Vitesse X 1 000Densité X 1Densité X 10 00 00000
Coût d'entrée / sortie Coût d'entrée / sortie très élevétrès élevé
La différence de vitesse et le coût pour entrer ou sortir d'un circuit intégré incite à mettre le
maximum de fonctions sur chaque puce circuits géants
Monde interne à un circuit intégré
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Synchronisation desSynchronisation descircuits intégrés complexescircuits intégrés complexes
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Synchronisation locale
Les circuits géants sont réalisés par l'assemblage de modules "classiques" (comme pour les systèmes macroscopiques).
Zones isochrones✔ Horloge centrale (à chaque
zone)✔ Taille :
− Zone de synchronisation acceptable (erreurs de phase tolérables)
− Fonction de la fréquence de l'horloge
✔ Fonctionnalité
H
H H
H
Zones isochrones
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CommunicationInterne à une zone isochrone
Relation de synchronisme
✔ Systèmes synchrones
(Les circuits combinatoires doivent avoir le temps de s'établir pendant la période d'horloge)
T Horloge≥ ∑Chemins−critiques
τtransit−opérateurs
Circuitcombinatoire
τ
Horloge
τ
Entrée
Sortie
Thorloge
t
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COMMUNICATIONEntre zones isochrones
Asynchrone (GALS Globally Asynchronized,
Locally Synchronous)
✔ Risque de métastabilité (systèmes mésochrones)
✔ Lenteur des communications
Synchrone (GSLS Globally Synchronized, Locally
Synchronous)✔ Mise en phase des zones isochrones
✔ Communication directe (entre zones contiguës)
✔ Communication "élastique" (entre zones distantes)
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Mise en phase des zones isochrones
Distribution équilibrée de l'horloge
✔ Difficile à obtenir
− Ajustement des capacités des lignes de distribution
✔ Puissance dissipée élevée
Autres solutions
✔ Utilisation de rephaseurs (retards ajustables)
✔ Génération distribuée d'horloges synchrones
….....
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Dialogue entre zones isochrones voisines
BiQiDi
BjQjDj
générateur d'horloge de référence
TCij
HLi
∆φi
HLj
∆φj
HM
zone isochrone i
zone isochrone j
∆φHi ∆φHj
générateur d'horloge de la
zone isochrone i
générateur d'horloge de la
zone isochrone j
Si les horloges HLi et HLj sont en phase,
alors les bascules Bi et Bj dialogueront
comme si elles étaient dans la même zone
isochrone
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Génération distribuée Génération distribuée d'horloges synchronesd'horloges synchrones
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PLL
PLL (Phase Locked Loop- Asservissement en phase)
✔ Détecteur de phase
✔ Filtre
✔ Oscillateur commandé
ADPLL (All Digital PLL) PLL entièrement numérique
− Comparateurs de phase numériques (BangBang)
− Filtre numérique
− Oscillateur à commande numérique ( DCO )
✔ Asservissement à F/4
Matériel voisin de celui pour le rephasage
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 19
Réseau de PLL
PLL
PLL
PLL
PLL
PLL
PLL
PLL
PLL
PLL
PLL
PLL
PLL
Zones isochrones
Comparateurs de phase
Dans le cas d'un circuit réel, les zones
isochrones sont beaucoup moins
régulières
L'horloge de référence est injectée en
quelques points du réseau
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ADPLL
HLDx,y
Oscillateur local
Filtre de boucle
Combinateur des erreurs
HLDx,y-1
HLDx+1,yHLDx-1,y
HLD x,y+1
Diviseur
/N
Erreur moyenne
Horloge Locale Rapide
Horloge Locale Divisée
Horloge locale
Φ
Comparateurs de phase et de fréquence
Φ
Φ
Φ
Erreur de phase-fréquence
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Réalisation CMOS
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Le circuit réalisé
Technologie 65nm ST (via CMP)
Dimensions de la puce : 1470x1390 μm
Dimension de la zone des horloges : 900x800 μm
~ 290 000 transistors
Partiellement Full-Custom
Programmable (coefficients du filtre, connectivité)
Testé et caractérisé (bon au premier lot)
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Mesures: erreur de synchronisation
• Sortie des 16 oscillateurs, 1 GHz• Fréquence de référence (entrée): 180 MHz• Erreur de synchronisation mesurée hors puce:
– Entre les voisins: 140 < err < 220 ps – Entre n’importe quels 2 noeuds : < 300 ps
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Circuit 10 x 10
Layout
Technologie 65nm ST (via CMP)
Partiellement Full-Custom
Programmable (coefficients du filtre, connectivité)
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Projets HODISS-HERODTOS
Projets ANR 2008-2014
✔HODISS
✔HERODOTOS
Chef de projet :
✔ Dimitri GALAYKO
Organismes partenaires :
✔ UPMC/Lip6/SOC
− CIAN : Dimitri GALAYKO, François ANCEAU
− SYEL : Sylvain FERUGLIO
✔Supélec
✔ECL-CEA / LETI Grenoble
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Fonction d'asservissement d'un ADPLL
Fonctions de transfert :
✔ Comparateur de phase
✔ Filtre numérique
✔ DCO
H PFD=1
δPFD⋅2π fs
H Filtre=(K p+K i
S)
✔ Retards des éléments
✔ Boucle d'asservissement
H DCO=K DCO
S
H Ret=e−S∑ T Ret
H =H PFD⋅H Filtre⋅H DCO⋅H Ret
1+ H PFD⋅H Filtre⋅H DCO⋅H Ret
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 27
Fonction d'asservissement d'un ADPLL
Comparateurs de phase :
Signal de sortie :
Δ ϕx , y=(ϕx+ 1, y−ϕx , y)+ (ϕx−1, y−ϕx , y)+ (ϕx , y+ 1−ϕx , y)+ (ϕx , y−1−ϕx , y)
4
ϕx , y=(ϕx+ 1, y−ϕx , y)+ (ϕx−1, y−ϕx , y)+ (ϕx , y+ 1−ϕx , y)+ (ϕx , y−1−ϕx , y)
4⋅H
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 28
Induction continue
Discrétisation Inductioncontinue
(Dé-discrétisation)
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 29
Analogie avec le continu
L'expression décrivant le comportement du comparateur de phase peut être vue comme la discrétisation d'un Laplacien(ϕ x+1, y−ϕx , y)+(ϕx−1, y−ϕx , y)+(ϕx , y+1−ϕx , y)+(ϕx , y−1−ϕx , y)
((ϕ x+1, y−ϕx , y)−(ϕx , y−ϕx−1, y))+((ϕx , y+1−ϕx , y)−(ϕx , y−ϕx , y−1))se réécrit :
∂Φ∂ x
∂2Φ
∂ x2
∂2Φ
∂ x2 +∂2Φ
∂ y2 =ΔΦx , y
φ comportement du PLLΦ fonction de surface
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 30
Analogie avec le continu
La fonction décrivant le comportement d'un ADPLL peut être vue comme la discrétisation d'une fonction de surface
Φx , y=(Δ Φx , y
4+ Φx , y)⋅
H PFD⋅H Filtre⋅H DCO⋅H Ret
1+ H PFD⋅H Filtre⋅H DCO⋅H Ret
Après transformation inverse et réarrangement :
∂2Φ
∂ t2 =
MK p
4⋅∂Φ(t−τ)
∂ t+
MK i
4⋅Φ(t−τ)
Et après simplification :
∂2Φ
∂ t2 +
M (K p−K i τ)
1−MK p τ⋅∂Φ
∂ t−
MK i
4(1−MK p τ)⋅Δ Φ=0
M =K PFD⋅K DCO
avec :
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Analogie physique
La surface d'un liquide peut être décrite par l'équation approchée suivante :
∂2h
∂ t2 + k
∂h∂ t
−c2Δ h=0
Celle-ci présente la même forme que l'analogue continu de notre réseau d'ADPLLD'où l'analogie :
h⇔Φ−ΦHref
k ⇔M (K p−K i τ)
1−MK p τc⇔√ MK i
4(1−MK p τ)
Nikishkov, Gennadiy and Nishidate, Yohei, Water Surface Animation using Damped Wave Equation and
CUDA Acceleration, Integration, Vol 1, p1-7
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Analogie hydrauliqueLes paramètres du filtre des ADPLL peuvent être ajustés de manière à comparer le réseau de PLL avec une pièce d'eau.
La taille de la pièce d'eau peut être très grande par rapport à la maille de discrétisation
Sans aucune perturbation, la surface d'une pièce d'eau est parfaitement plate Les PLL sont donc parfaitement en phase au bout d'un temps d'établissement
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Élimination des réflexion Élimination des réflexion des perturbations sur les des perturbations sur les
bordsbords
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 34
Brise-vagues de piscine
Les brise-vagues amortissent les vagues incidentes et bloquent les réflexions
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 35
Simulation d'une surface infinie
Pour éviter une réflexion des ondes d'erreur de phase sur le bord de la surface Φ des PLL, nous supposerons celle-ci infinie
Pour cela, considérons une colonne virtuelle supplémentaire de PLL
xx-1 x+1
y
y+1
y-1
Bordgauche
Colonnevirtuelle
Matrice de PLL
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 36
Condition de continuité sur le bord
En première approximation, la surface entre φ
x-1,y et φ
x+1,y est
supposée plate, d'où :
et :
(ϕx−1, y−ϕ x , y)≃(ϕx , y−ϕx+1, y)
∂2Φ
∂ x2 ≃0
xx-1 x+1
y
y+1
y-1
Bordgauche
Colonnevirtuelle
Matrice de PLL
Plat !
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 37
Brise-vagues d'erreurs de phase
Comme φx-1,y
n'existe pas, il suffit
de supprimer la liaison :<x,y> <x+1,y>
pour remplir la condition, d'où :
Ce qui revient à isoler le bord de la matrice de PLL qui devient un anneau brise-vague.
ΔΦx , y=∂
2Φ
∂ y2
x x+1
y
y+1
y-1
BordGauche(anneau)
Partiecentrale
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 38
Anneau d'excitationLa suppression des liaisons
pour créer le brise-vagues crée un anneau d'excitation des PLL centraux.
Cette configuration présente plusieurs avantages :
✔Elimination des réflexions des vagues d'erreur
✔Meilleure distribution de l'horloge de référence autour du réseau (effet piston)
✔Tous les PLL servent de générateurs d'horloge
Fref
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 39
Simulation du réseau 10 x 10
La propagation des erreurs de phase est
comparable à celle des anneaux de vagues dans une piscine......
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 40
Modes parasites d'accrochageModes parasites d'accrochage
(Mode-locks)
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 41
Retour spontané à la planéitéUn mode-lock
correspond à une solution statique du système d'équation du réseau de PLL, c-a-d à une solution d'une équation de champ.
Un mode-lock suppose l'existence de déséquilibres se compensant mutuellement
∂2Φ
∂ t2 +
M (K p−K i τ)
1−MK p τ⋅∂Φ
∂ t−
MK i
4(1−MK p τ)⋅ΔΦ=0
ΔΦ=0D'où :
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 42
Retour spontané à la planéité
Sans source de potentiel, une telle équations de champ statique n'admet que la solution identiquement nulle.
ΔΦ=0
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 44
Extensions de l'étudeExtensions de l'étude
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 45
Transposition à d'autres domaines
Le même raisonnement s'applique à d'autres domaines (macroscopiques)
✔ Mise à l'heure de réseaux d'horloges fixes
− Horloges atomiques (radio-émettrices)
− Réseaux de répéteurs GSM
− Réseaux de centres de calcul
− …..........
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 46
Augmentation du risque de métastabilité dans les SOCs
Les zones isochrones des SOCs reçoivent des horloges non indépendantes (phases non aléatoires) issues d'une seule horloge distribuée sans précaution... (mésochronisme)
Causes d'évolution des phases des horloges distribuées dans un SOC :
✔évolution lente : vieillissement, température
✔évolution rapide : tension d'alimentation, parasites
Si les conditions d’occurrence de la métastabilité sont réunies, alors la probabilité d'une nouvelle occurrence devient beaucoup plus importante car les paramètres lents n'auront pas évolué....
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 47
Vers la hautesûreté de fonctionnement
Les communications synchrones éliminent tous les risques de métastabilité
Le respect de la condition de synchronisme assure un bon fonctionnement synchrone.
✔ Un mécanisme de vérification dynamique de la condition de synchronisme est en étude...
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 48
Groupe HODISS-HERODOTOS(UPMC/Lip6/SOC/CIAN)
✔ Dimitri Galayo
✔ Chuan Shan
✔ Eldar Zianbetov
✔ Mohammad Javidan
Sans eux ces résultats n'auraient jamais pu
exister
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Séminaire Collège de France 12/03/2014 49
Dimitri
Chuan
Eldar