Horlogerie distribuée pour les SoCs synchrones

• Main Author: Zianbetov, Eldar
• Language: English
• Published: Université Pierre et Marie Curie - Paris VI 2013
• Subjects: [SPI:NANO] Engineering Sciences/Micro and nanotechnologies/Microelectronics; [SPI:NANO] Sciences de l'ingénieur/Micro et nanotechnologies/Microélectronique; horloge synchrone; l'architecture multi-oscillateur; boucle à verrouillage de phase tout numériques; l'oscillateur à commande numérique; bang-bang détecteur; time-to-digital converter
• Online Access: http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01053729; http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/01/05/37/29/PDF/eldar_zianbetov_thesis_manuscript_en_v1.0.pdf; http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/01/05/37/29/ANNEX/Distributed_clock_generator_for_synchronous_SoC_using_ADPLL_network.pdf

Cette thèse aborde le problème de génération d'horloge globale dans les SoCs complexes dans le contexte des technologies CMOS profondément submicroniques. Actuellement, afin de contourner les difficultés liées aux techniques classiques de distribution d'horloge (p.ex. arbre, grille) dans les systèmes synchrones, les concepteurs qui désirent de se rendre sur le paradigme Synchronisation Globale se tournent vers les techniques de synchronisation rompant avec les approches classiques (par exemple oscillateurs distribués, les ondes stationnaires , oscillateurs couplés, les retards programmables). Cette étude s'inscrit dans ce courant. Dans ce travail, nous avons étudié et mis au point un système de génération d'horloge sur puce destiné à un SoC synchrone de haute fiabilité. Cette architecture est basée sur un réseau d'oscillateurs couplés en phase et en fréquence à l'aide d'un réseaux de boucles à verrouillage de phase tout numériques (ADPLLs). Pendant cette recherche nous avons mis au point les spécifications et choisi une architecture de réseau. Un modèle théorique du système a été mis en place en collaboration avec CEA-LETI et Supélec dans le cadre du projet ANR HODISS. Nous avons analysé le comportement du système dans les simulations sur différents niveaux d'abstraction, en enquêtant des conditions de stabilité de son fonctionnement synchrone. L'ADPLL a été proposé comme un nœud élémentaire du réseau de synchronisation distribuée. L'utilisation d'ADPLL permet de contourner les difficultés d'implémentation, qui sont généralement associées à PLL analogique. Nous avons conçu les blocs principaux de l'ADPLL: un oscillateur à commande numérique (Digitally-Controlled Oscillator, DCO), un détecteur de phase/fréquence (PFD) et un bloc de traitement d'erreur. Une technique de conception basée sur les cellules a été adapté pour le développement d'oscillateur. Cette technique réduit considérablement la complexité de l'implémentation de l'oscillateur. Les autres blocs ont été conçus en utilisant un flot de conception numérique commun. Afin de réduire les risques associés à l'implémentation de silicium, le système a été validé dans une plate-forme de prototypage FPGA. Les résultats des mesures ont montré que la synchronisation de réseau se comporte comme prédit par la théorie et ainsi que les simulations. Deux circuits de prototypage ont été conçus, mis en œuvre et testés dans une technologie CMOS 65 nm de STMicroelectronics. La première puce est une preuve de concept d'un DCO conçu très linéaire et monotone. Les paramètres mesurés de l'oscillateur sont conformes aux spécifications. La performance mesurée a démontré une gigue de moins de 15 ps rms, en consommant 6.2 mW/GHz @ 1.1 V. La plage de réglage de l'oscillateur est 999-2480 MHz avec une résolution de 10 bits. La deuxième puce est un réseau d'horloge avec 4x4 nœuds qui se compose de 16 ADPLLs distribués. Chacun d'entre eux utilise les blocs conçu précédemment: DCO, PFD et bloc de traitement d'erreur. Les expérimentes ont montré que la technique proposée de génération d'horloge distribuée est réalisable sur une puce réelle CMOS. La performance mesurée démontre l'erreur de synchronisation entre les oscillateurs voisins moins de 60 ps, alors que la consommation d'énergie est 98.47 mW/GHz.