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Douze familles de circuits logiques programmables

ELISABETH FEDER redaction@industrie-technologies.com
Présentant de plus en plus de fonctionnalités, les circuits logiques programmables sont aujourd'hui de véritables systèmes électroniques sur puce, capables de s'attaquer à quasiment toutes les applications. Grâce aux technologies de pointe, leur consommation devient même adaptée aux dispositifs portables.

Les transistors sont l'ADN de l'électronique. Les circuits logiques en sont le code génétique. Assemblages de transistors reliés entre eux, ils réalisent les opérations sur les variables d'entrées qui donneront les grandeurs voulues en sorties. Les circuits intégrés les plus répandus sont les Asic (application specific integrated circuit). Ils sont spécialisés : une fois fabriqués, ils réalisent uniquement les opérations pour lesquelles ils ont été conçus. Leur conception et leur développement sont aussi longs que coûteux. D'énormes volumes sont nécessaires pour les rentabiliser. La volonté d'intégrer dans une application des fonctions électroniques non disponibles sur étagère sans passer par le processus de création d'un Asic, est à l'origine de l'invention des circuits logiques programmables, il y a près de 30 ans. Baptisés FPGA, pour field programmable gate array, ils présentent l'intérêt de pouvoir être programmés et reprogrammés après fabrication. Ils sont composés d'un ensemble de blocs logiques de base librement assemblables et configurés à l'aide d'un logiciel.

Leur première application a naturellement été le prototypage rapide des circuits Asic. Les différentes configurations possibles du futur circuit spécialisé sont testées sur FPGA, jusqu'à l'obtention d'une solution 100 % fonctionnelle et conforme au cahier des charges. Rapides à développer, flexibles, réversibles, les circuits programmables constituent un bon compromis coût/performance comparés aux Asic (plusieurs dizaines de millions d'euros, contre quelques milliers d'euros pour un circuit programmable). Initialement très volumineux, les FPGA sont de plus en plus petits grâce à l'augmentation de la densité des fonctions logiques, offertes par les nouvelles technologies. Une avancée qui a ouvert la voie vers des circuits plus complexes, qui grignotent désormais des parts de marché des Asic.

Une technologie mature

Les FPGA se composent d'un réseau de cellules élémentaires exécutant des fonctions logiques de base (et, ou, non...) ou des combinaisons de celles-ci, auquel est superposée une grille complexe de conducteurs métallisés. À l'intersection de chaque entrée et sortie des cellules élémentaires avec la grille d'interconnexion se trouve un interrupteur. C'est un transistor piloté par un point mémoire programmable, qui le rend passant ou non. La configuration du FPGA, et donc des fonctions électroniques qu'il sera capable de réaliser, résulte de la programmation de tous ces points mémoires. Ces derniers sont le plus souvent en technologie Sram ou Flash. La première est plus rapide, la deuxième prend a priori moins de place et est moins coûteuse. Une troisième technologie, encore moins coûteuse, est dite à antifusible. Dans ce cas, comme son nom l'indique, il y a destruction de matière, et la programmation est alors irréversible.

Pour générer le programme de configuration, l'utilisateur établit une description matérielle des fonctions à réaliser. Des outils de synthèse logique permettent ensuite de créer la liste des fonctions logiques élémentaires et de leurs interconnexions à partir de laquelle sont définis le placement des fonctions dans le réseau du circuit programmable et le routage des interconnexions. Avec la technologie Sram, le programme de configuration est stocké dans une mémoire externe. À chaque mise sous tension, il est transféré vers le FPGA qui se configure en une vitesse record. En revanche, en technologie Flash, le programme est non volatil et la configuration reste maintenue même hors tension.

Outre la partie logique programmable, les FPGA comprennent de plus en plus de blocs de logique fixes, réalisant des fonctions classiques précises. De tels blocs incluent notamment des zones mémoires, des unités de traitement de signal, des interfaces pour les liaisons vers l'extérieur du circuit et, plus récemment, des coeurs de processeurs. Compacts, ils optimisent l'utilisation de la surface de silicium et facilitent la conception d'un système électronique complexe. « Un FPGA permet la mise en oeuvre d'un circuit numérique hautement complexe, configurable et reconfigurable en quelques instants en fonction des besoins. On entre ainsi très vite sur le marché avec un produit final », souligne Jacques Cesbron, directeur des ventes Europe de l'ouest chez Altera.

La disponibilité de différentes densités pour la partie logique programmable et d'une grande diversité de blocs de fonctions fixes fait aujourd'hui la richesse de l'offre en FPGA. Cette évolution leur ouvre de plus en plus de marchés, de l'aéronautique aux infrastructures télécoms, de l'industriel au médical, de l'automobile à l'électronique grand public. Une tendance confirmée par l'envolée des ventes, avec une hausse moyenne annuelle de 7 à 9 % au cours des années 2000. Pour autant, peu de fournisseurs se sont positionnés sur ce secteur derrière les deux leaders : Altera et Xilinx, qui se partagent 85 % du marché total. Microsemi (ex-Actel) s'est spécialisé dans l'électronique militaire et aéronautique, où « les critères de choix sont la pérennité des produits, la protection et la fiabilité. Cela dit, nous pouvons capitaliser sur ce savoir-faire pour les applications industrielles », souligne Patrizio Piasentin, responsable des ventes Europe de Microsemi. La société utilise les technologies Flash et à antifusible (programmables une seule fois) pour des applications de haute à très haute fiabilité, qui répondent aux critères de protection contre le piratage et le clonage. Le fabricant a été, avec son concurrent Lattice, le premier à miser sur l'efficacité énergétique, dans des produits milieu de gamme. Altera puis Xilinx s'y sont mis à leur tour, en faisant appel aux dernières technologies de gravure. « Le passage de 45 nm au 28 nm nous permet de réduire de 50 % la facture énergétique », précise Thomas Baudrot, directeur des ventes France chez Xilinx. Pour percer, SiliconBlue parie aussi sur des FPGA peu énergivores, pour cibler les applications mobiles et portables. Autre jeune pousse, Achronix propose, elle, des solutions à haute vitesse pour les télécoms et les réseaux.

Développer rapidement des solutions électroniques

Les innovations apportées par tous ces acteurs font du FPGA d'aujourd'hui une alternative à la fois fiable et économique aux Asic. Pour illustrer ce propos, Intel, en novembre dernier, a lancé son nouveau processeur Atom, associé à un circuit programmable Arria II GX d'Altera en guise de coprocesseur. Les FPGA permettent de développer rapidement des solutions électroniques et d'introduire très vite de nouveaux produits sur le marché. Ils rendent également les produits évolutifs. Une fois le produit stabilisé, et si le volume annuel justifie l'investissement, l'industriel pourra migrer vers un circuit spécifique, plus performant et moins énergivore que le FPGA. Une migration qui n'aura rien d'une gageure puisque les constructeurs proposent des solutions de conception d'Asic à partir d'un FPGA configuré. C'est l'offre HardCopy chez Altera, ou encore EasyPath chez Xilinx.

Voir pdf pour le tableau.

CROISSANCE

En 4 ans, le marché mondial des circuits logiques programmables est passé de 3,5 à 4,5 milliards de dollars. Source : Gartner

LA PLUS RAPIDE

ccSTRATIX V D'ALTERA Première gamme de circuits logiques programmables à offrir des fonctions de liaisons série (transceivers) jusqu'à 28,8 Gbit/s, Stratix V regroupe dix-huit modèles dans quatre familles. Optimisée pour la communication à haute vitesse (14,1 Gbit/s), voire très haute vitesse (28,8 Gbit/s), elle offre aussi les combinaisons traitement de signal - vitesse à 14,1 Gbit/s ou densité logique élevée - communication à haute vitesse. Elle correspond aux besoins des applications comme les infrastructures pour la future génération de téléphonie mobile, ou encore les radars militaires. Les conceptions réalisées avec les versions précédentes, notamment Stratix IV, sont compatibles avec la série V. Le système HardCopy V d'Altera permet la migration ultérieure vers un circuit spécifique, si le volume de production le justifie. ccDONNÉES TECHNIQUES Technologie : FPGA Sram - 28 nm Nombre d'éléments programmables : 200 000 - 1 million Mémoire : jusqu'à 50 Mbit Nombre d'entrées/sorties utilisateur : 264 à 840 Prix : 1 000 à 15 000 dollars l'unité

LA PLUS DENSE

VIRTEX 7 * DE XILINX La gamme Virtex 7 s'inscrit dans la série 7 de Xilinx, la première avec une architecture unifiée commune avec les séries Artix 7 et Kintex 7, et un procédé de fabrication orienté hautes performances développé avec TSMC. La firme reste le leader dans le très haut de gamme en termes de densité de la partie logique programmable, avec 2 millions de cellules logiques de base, et pour le nombre d'entrées/sorties disponibles pour l'utilisateur. S'y ajouteront, dans le courant de l'année, des fonctions de communication à très haute vitesse avec des liaisons série à 28,8 Gbit/s. La gamme comprend, au total, quinze variantes avec différentes combinaisons de densité logique, de capacité mémoire, de blocs de traitement de signal, et d'entrées/sorties. Applications visées : les réseaux Ethernet 40 et 100 Gbit/s, l'informatique haute performance, l'instrumentation et le test haute vitesse. ccDONNÉES TECHNIQUES Technologie : FPGA Sram - 28 nm Nombre d'éléments programmables : 28 000 - 2 millions Mémoire : jusqu'à 65 Mbit Nombre d'entrées/sorties utilisateur : 700 à 1 200 Prix : 500 à 5 000 dollars l'unité *Le Virtex 7 sera commercialisé courant 2011.

LA PLUS SÛRE

RTAX-S/SL DE MICROSEMI La famille RTAX comprend cinq modèles. Elle se fonde sur l'architecture Axcelerator et utilise la technologie propriétaire dite à antifusible du fabricant. Cette technique de programmation aboutit à une configuration structurellement enterrée dans la puce, non réversible, et offre donc une sécurité maximale contre le piratage ou la copie du design. Elle est en outre insensible aux radiations ionisantes, d'où son utilisation dans les satellites et autres applications exigeant une très haute fiabilité. La famille combine le maximum d'éléments programmables disponibles chez ce fabricant avec une performance système atteignant 350 MHz, le tout à faible consommation avec une alimentation possible à 1,5 V. ccDONNÉES TECHNIQUES Technologie : Antifusible - 0,15 µm Nombre d'éléments programmables : 30 000 - 500 000 Mémoire : jusqu'à 540 Kbit Nombre d'entrées/Sorties utilisateur : 198 à 840 Prix : à partir de 3,50 dollars l'unité pour 100 pièces

LUC BURGUN, PDG D'EMULATION AND VERIFICATION ENGINEERING (EVE), FOURNISSEUR DE SOLUTIONS DE PROTOTYPAGE RAPIDE ET D'ÉMULATION

« Pour nos plates-formes de prototypage de circuits spécifiques, nous devons offrir par principe une approche reconfigurable. Le recours à une solution programmable s'impose donc d'office. Notre dernier émulateur, le Zebu-server, comprend 400 FPGA dans sa configuration maximale. Ce qui a orienté notre choix, en l'occurrence vers Xilinx, c'est la performance au niveau des entrées/sorties et la fonction Readback. Cette dernière nous permet de vérifier la configuration interne du FPGA, de suivre la circulation des signaux électriques, et de fournir des moyens de débogage à nos clients. Du côté des entrées/sorties (E/S), nous disposons de 450 blocs E/S offrant des taux de transmission de 900 Mbit/s pour satisfaire aux besoins de communication entre différents circuits. »

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