20 ans d’automatisation de la conception électronique

Pendant des années, l’industrie des semi-conducteurs s’est contentée de papier et de crayons pour concevoir les circuits intégrés. Nous sommes passés maintenant à des outils et logiciels très pointus. Retour sur les principales étapes de cette évolution.

L'esprit humain est capable de véritables prodiges. Pendant des années, l'industrie des semi-conducteurs s'est contentée de papier et de crayons pour concevoir les nouveaux circuits intégrés (IC). Comme la majeure partie de la puissance de calcul des tous premiers appareils électroniques a d'abord servi à générer des formes d'ondes ou à constituer des systèmes de stockage, un nombre relativement restreint de concepteurs analogiques particulièrement doués a donné naissance aux premières générations de semi-conducteurs.
 
Avec l'introduction de la technologie CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) dans les années 1970, il est devenu possible de créer des processeurs capables non seulement de convertir les données analogiques au format électronique, mais aussi d'exécuter des fonctions numériques complexes. Cette nouvelle technologie liée aux processus de fabrication a marqué l'avènement de l'électronique numérique, qui a elle-même provoqué le boom de l'industrie du même nom, au départ de simple fournisseur d'ordinateurs pour les applications militaires et mainframes. Elle est devenue le point d'entrée pour tous les appareils électroniques que nous apprécions tant aujourd'hui.
 
La différence de principe entre la conception analogique et numérique relève du niveau d'abstraction (de détail). Dans un environnement de conception analogique, les connaissances et les compétences spécialisées des ingénieurs leur permettent d'élaborer des systèmes qui convertissent efficacement les informations d'un format analogique vers un autre, en utilisant les blocs d'assemblage fondamentaux des transistors et les composants passifs. Dans un environnement dédié aux signaux numériques ou mixtes, le processus de conception se résume à analyser selon une logique formelle les états d'activité et d'inactivité. Plus les commutations entre ces deux états peuvent s'effectuer rapidement, plus le fonctionnement du système numérique concerné gagne en vitesse.
 
Dans cet environnement numérique, réduire le chemin logique le plus long est LE facteur essentiel pour améliorer les performances. Dans les premiers temps, le principal défi à relever était avant tout graphique : l'interconnexion entre les transistors devait suivre un tracé n'engendrant ni écarts diaphoniques, ni retards inutiles. Pour simplifier, il s'agissait de dessiner des milliers de lignes en suivant le chemin le plus court et sans croiser les fils.
 
Les premiers systèmes de représentation des interconnexions de semi-conducteurs ont forcé les concepteurs à abandonner crayons et stylos pour le ruban adhésif et les feuilles de papier vélin, parfois sur plusieurs mètres de long. Des phototraceurs imposants, précurseurs des tableaux blancs interactifs avec numériseurs actuels, servaient à lire leurs dessins scotchés les uns aux autres (d'où l'expression "tape-out" pour indiquer la fin de la conception), et à convertir les formes dessinées en descriptions géométriques numérisées. Dans les années 70, l'entreprise Calma, pionnière dans le domaine de la CAO électronique, a développé un langage de description, appelé le format GDSII. Ce format de base, qui permet de décrire la disposition graphique de la conception d'un semi-conducteur, est encore utilisé de nos jours.
 
Au fur et à mesure de l'évolution des technologies de fabrication des semi-conducteurs, ces dessins réalisés à la main sont devenus de plus en plus volumineux et complexes. Il était alors possible de remplir des pièces entières de tiroirs débordant de feuilles de papier, chacune représentant une infime partie de la topologie globale. Si une modification suffisamment importante devait être apportée sur l'une de ces feuilles, elle pouvait entraîner un effet ricochet susceptible d'altérer l'ensemble du plan. Même à ce stade, les modifications d'ingénierie étaient donc considérées comme tout à fait indésirables.
 
Le niveau d'abstraction le plus élevé correspondait à la taille d'une serviette de table. La gestion de projet était réalisée avec les premiers systèmes de planification, comme le graphique PERT, lequel était souvent tracé à la main, puis affiché au mur. Du fait des progrès réalisés en matière de conception, le plan s'est étendu jusqu'à couvrir tous les murs et les sols d'un bureau d'ingénieur. Des systèmes de planification similaires étaient d'ailleurs utilisés au niveau de la conception des systèmes, ce qui correspond certainement au seul point commun que ces deux disciplines aient jamais affiché en termes de méthodologies de planification de la conception...  jusqu'à ce jour, mais j'y reviendrai plus tard.
 
Finalement, la complexité de conception des circuits intégrés a surpassé les capacités cérébrales d'un ingénieur, voire d'équipes entières de concepteurs. Peu de temps après que Gordon Moore ait constaté pour la première fois que la densité des semi-conducteurs se devait, pour des raisons économiques, de doubler tous les 18 mois, les ingénieurs du monde entier ont commencé à rechercher des possibilités d'automatisation de la conception des semi-conducteurs.
 
Pendant les quelques années qui ont suivi, les chercheurs universitaires et les entreprises en plein essor de ce secteur ont concentré tous leurs efforts sur le développement de ces systèmes de conception pour les semi-conducteurs.
 
Les tous premiers systèmes de conception ont vu le jour en interne, au sein des entreprises de semi-conducteurs et de sociétés fabriquant des équipements informatiques de milieu et haut de gamme. Comme dans le cas d'autres systèmes logiciels, ces outils propriétaires étaient performants, mais parfois ralentis par un certain manque d'efficacité. Certains d'entre eux sont toujours utilisés aujourd'hui, mais ils bénéficient du renfort non négligeable des environnements d'automatisation de la conception électronique (EDA).
 
Dans les années 70, Carver Mead, de l'Institut de Technologie de Californie, et Lynn Conway, de Xerox sont les pionniers de la conception des puces électroniques. Ils ont mis les ingénieurs au défi de développer des langages de programmation pour compiler et simuler la conception des semi-conducteurs, une étape nécessaire puisque ces outils pouvaient accroître la productivité de la conception. En accélérant la phase de conception électronique, ces outils ont également permis d'augmenter la densité des appareils. Le développement de ces logiciels était d'ores et déjà en bonne voie à l'université de Berkeley et dans d'autres institutions.
 
Les premiers systèmes de conception automatisée commercialisés ont servi à décrire les circuits intégrés à grande échelle (LSI) émergeant à cette époque et utilisés dans les ordinateurs de milieu de gamme, les systèmes militaires et l'avionique. Au milieu des années 1980, des sociétés déjà actives dans le secteur de la CAO, telles que Daisy Systems et Mentor Graphics, ont créé des outils permettant d'établir la topologie des interconnexions, alors que Valid Logic développait de son côté le premier logiciel capable de valider leur exactitude.

D'autres entreprises ont également joué un rôle dans le développement de ces technologies, notamment Applicon et Computervision. À la fin de cette période, la majorité des technologies d'automatisation de la conception électronique que l'on connaît aujourd'hui était née, à savoir la simulation logique et de circuits, le timing et la simulation MOS, ainsi que la conception de cellules standard. C'est au cours de cette même période que les outils de conception et de simulation des cartes de circuits imprimés (PCB) ont vu le jour.
 
Dans les années 1980 et au début des années 1990, "une période empreinte de créativité et d'expansion", selon le Dr. Alberto Sangiovanni-Vincentelli, co-fondateur de Cadence, l'industrie s'est mise à développer des outils perfectionnés de placement et de routage capables de traiter des structures logiques complexes. Les technologies de synthèse logique, les accélérateurs de simulation, les émulateurs et les systèmes de synthèse de haut niveau ont également fait leur apparition à cette époque.
 
Grâce à ces outils complexes, les concepteurs ont pu travailler sur des circuits intégrés à très grande échelle (VLSIC). Toutefois, il fallait encore bien souvent attendre plusieurs années avant que ces circuits n'arrivent sur le marché ; bien plus que ce que la patience du secteur hautement compétitif de l'ordinateur personnel  (PC)  ne pouvait supporter.
 
La promesse d'un marché grand public en plein essor attire les entreprises d'électronique. Elles ont poussé le développement des premiers langages de description de haut niveau (HDL) commercialisés par la suite, en particulier le langage Verilog conçu par Gateway et le langage de description matériel VHSIC (VHDL) défini par le département américain de la Défense. Au terme de nombreuses discussions et après l'abandon des quelques langages alternatifs, ces deux formats sont devenus les langages de prédilection du secteur de la CAO électronique pour la description de la conception fonctionnelle.

Ce choix décisif marque d'ailleurs les débuts des plus grandes entreprises d'automatisation de la conception électronique actuelles et il ne s'agit pas là d'un hasard. En effet, la décision de développer ces deux langages HDL comme des plates-formes de conception électronique a permis à ces entreprises d'acquérir sans grande difficulté une base de conception uniformisée, sur laquelle elles ont pu greffer de nouvelles fonctionnalités selon leur pertinence. Les entreprises du secteur de l'automatisation de la conception électronique qui ont été capables de développer rapidement les technologies les plus performantes et de les intégrer à ces langages HDL se sont très vite assurées une position prédominante sur le marché.
 
À cette époque, deux entreprises pionnières dans le domaine de la CAO électronique, ECAD, Inc. et SDA Systems, ont décidé de fusionner pour donner naissance à Cadence Design Systems, Inc. Grâce au développement de produits novateurs, à la conclusion de partenariats stratégiques et à d'autres fusions réussies, Cadence s'est positionné comme le premier fournisseur du secteur en matière de technologies logicielles et de services d'automatisation de la conception électronique. L'entreprise proposait notamment des technologies perfectionnées de vérification physique, de layout, de synthèse logique, de conception analogique et de conception combinée matérielle/logicielle.

La mise en place des fondements des langages HDL assurée par Cadence et d'autres, ainsi que leur application aux équipements comportant des circuits intégrés à très grande échelle (VLSIC), ont offert aux concepteurs la possibilité de développer deux dispositifs marquants : le "système sur puce" (SoC), au cœur des ordinateurs portables, PDA et autres terminaux de communication sans fil, et le "processeur réseau", une technologie de communication haute performance qui nous a finalement ouvert les portes d'Internet.

Je remarquais plus tôt que le graphique PERT a été le seul point commun entre la conception des puces et la conception au niveau des systèmes. Force est de constater que l'on récolte ce que l'on sème : les appareils SoC sont aujourd'hui si puissants qu'ils constituent souvent une grande partie du système électronique qui les intègre. De plus, les performances de tous les éléments en dehors de la puce ont tellement progressé qu'il est désormais quasiment impossible de concevoir quoi que ce soit sans tenir compte du produit final.

À l'heure actuelle, la conception des systèmes électroniques est inextricablement liée à l'architecture conceptuelle des semi-conducteurs. Il reste encore beaucoup à faire pour harmoniser les environnements de conception, ce qui représente l'une des plus grandes opportunités pour l'industrie de l'automatisation de la conception électronique.

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