Schéma du processus de conception collaborative d’un produit microélectronique

1.3.1 Phases et acteurs de la conception

Le secteur microélectronique comprend trois types d’entreprises :

− Les fabricants : ce sont des entreprises qui conçoivent et fabriquent ses composants.

− Les entreprises ‘fabless’ (sans usine, sans unité de fabrication) : elles sont spécialisées dans la conception et la vente. La fabrication est sous-traitée à des sociétés spécialisées dans la fabrication de semi-conducteurs, les fonderies.

− Les fonderies : ce sont des entreprises spécialisées dans la fabrication et travaillant pour le compte d'autres entreprises en charge de la conception.

Dans cette partie, nous allons présenter le processus de conception classique d’un produit microélectronique, dans son ensemble, par un fabricant. Certaines parties sont valables pour les fabless et les fonderies mais le raisonnement est conduit pour une entreprise responsable de la conception et de la fabrication des composants. L’ensemble de nos remarques est basé sur l’observation et l’analyse de l’organisation interne de l’entreprise STMicroelectronics.

La Figure 13 représente schématiquement le processus de conception d’un produit microélectronique, composé de cinq phases de développement, depuis la définition d’un concept jusqu’à sa fabrication. Cette description de l’activité de conception est une formulation issue d’une synthèse des activités de conception telles qu’elles sont décrites dans les procédures et documents internes de STMicroelectronics. Les cinq phases sont les suivantes :

1. Définition du concept du produit : phase de construction du cahier des charges fonctionnel et de sa traduction en cahier des charges technique ;

2. Dessin du circuit électrique : phase qui commence par le dessin du circuit et finit avec la génération des fichiers pour la production des masques photolithographiques ;

3. Conception de la technologie semi-conductrice : définition de l'ensemble des éléments nécessaires à la fabrication de la puce;

4. Conception du boitier : définition de l'ensemble des éléments d'assemblage du boitier ; 5. Développement de la solution complète : conception du circuit encapsulé dans un

boitier.

L’activité « Hardware » n’est pas traitée dans cette section. Cette activité a pour but de développer et fournir les cartes pour la validation, l’évaluation, les tests puis la promotion du composant.

57 Chapitre 4 : De la conception du produit microélectronique à son éco-conception

Figure 13 : Modèle simplifié de conception d'un produit microélectronique

Le Tableau 6 résume les responsabilités des différents acteurs, inspiré de [De Grave’07]. On le voit, d’ores et déjà, les équipes de conception de technologies de fabrication sont distinctes de celles de conception de circuit. Le rôle exact des acteurs et la description des tâches qui leur sont allouées seront détaillés dans la suite de cette section. Les acteurs du processus de conception contribuent tour à tour au développement et à l’évolution du choix des matériaux, des structures géométriques ainsi que des propriétés mécaniques et électriques du produit final. Les relations entre ces acteurs sont complexes. Le développement d’un nouveau produit est un mécanisme non linéaire : les échanges ascendants et descendants sont nombreux. Les mécanismes de conception collaborative sont complexes à modéliser, tout particulièrement dans les premières phases de conception, où le lien est fait entre la fabrication et la conception. Les contraintes de fabrication, pourtant éloignées des métiers de la conception du circuit, doivent être incluses la description du produit. Pour Brissaud, «concevoir est mettre en relation des entités (individus, objets et connaissances) qui ne peuvent être déterminées au préalable» [Brissaud’98]. Les activités des métiers de conception en microélectronique sont concourantes et se déroulent en collaboration étroite et concertée.

Tableau 6 : Acteurs de la conception

Phase Acteurs Rôle

Définition du concept

Chef de projet

Pilote la conception, veille à la progression des activités d'une manière transparente et coordonnée entre les équipes de développement. Synchronise les plannings. Gère les contraintes de coût/temps/qualité… Il n’agit pas directement sur le produit. Ses connaissances abordent tous les domaines pour un pilotage efficace. Son rôle consiste à diriger la convergence vers une solution optimale des couts /délais /qualité.

Concepteur de produit

Définit un cahier des charges depuis les demandes d’un client ou d’après des exigences du marché définies à l’aide d’un profil applicatif.

Il est responsable du concept général du produit ainsi que de sa géométrie. Il choisit le principe de fonctionnement de l‘application. En réalité cette tâche est réalisée par une équipe projet complète composée de différents experts techniques et des équipes marketing.

Spécialiste Application Physique

Intègre les paramètres physiques dans la traduction du cahier des charges techniques.

C’est un spécialiste de la physique de l’application : radiofréquence, biologie, optique, fluides. Son apport est fondamental car il connait avec exactitude des paramètres spécifiques, amenant certains paramètres très spécifiques, porteurs de nouvelles contraintes pour la conception. Ingénieur applicatif Développe les modules hardware (montage de test) et softwares

(interfaces logicielles) pour l’intégration du circuit dans l’application finale. Il travaille en très étroite collaboration avec le client et fait le lien entre le chef de projet et le client. Celui-ci est consulté très tôt dans le processus de conception car il connait l’application dans laquelle sera embarqué le client. Dessin du circuit électrique Designer du circuit électrique

Conçoit le circuit en assemblant des éléments des kits de librairies. Il utilise les outils de CAO intégrés dans des systèmes dit VLSI. Produit le layout pour la fabrication des masques.

L’équipe est spécialisée dans le dessin sur certains logiciels et redessine les circuits sous forme de masques selon les standards géométriques. Equipe de

simulation numérique et test

Aide le designer pendant l’assemblage du circuit. Ce sont des phases clés de l’assemblage du circuit. On note que le temps de test est l’indicateur utilisé pour chiffrer le temps de développement.

Designer-kit Conçoit les librairies de composants élémentaires (transistor, capacité...)

Conception technologie et boitier

Technologue ^{Conçoit la technologie pour la fabrication du semi-conducteur.} Il est le détenteur des connaissances de fabrication.

Concepteur de

boitier ^{Imagine la structure du boîtier et la technique d’assemblage} Ingénieur-procédé

R&D

Développe les procédés de fabrication.

Les équipes front-end et back-end sont séparées. Ingénieur-qualité

Encadre les équipes responsables des tests, fiabilités et caractérisations. La caractérisation apporte des données importantes pour les

technologues et les concepteurs de circuit. Fabrication ^{Ingénieur-procédé}

de production

Ajuste les procédés de fabrication pour augmenter les rendements et baisser les coûts.

R&D Avancée

Technologue de R&D avancée

Met au point des techniques avancées de fabrication. Son rôle est très amont à la conception des circuits.

59 Chapitre 4 : De la conception du produit microélectronique à son éco-conception

1.3.2 Planification et clarification du problème de conception

La phase de clarification et la rédaction d’un cahier des charges sont des étapes réalisées en commun par les équipes de conception, et donc multidisciplinaire. Cette phase est initiée par la définition d’un besoin sur le marché ou d’une demande client. Elle s’achève sur la décision finale statuant de la faisabilité du projet et du démarrage éventuel de la conception (Figure 14).

Figure 14 : Acteurs de la phase de clarification

Le cahier des charges fonctionnel est établi conjointement entre le client, le marketing, le concepteur du circuit et le chef de projet. L’équipe marketing traduit les demandes explicites du client, ou implicites du marché, en termes de coûts et de performances techniques minimales. Un tel cahier des charges répond aux demandes d’un ou plusieurs clients ou bien encore d’un marché plus large sans client ciblé. Les cahiers des charges peuvent diverger en fonction de critères électriques, de minima de qualité ou de la quantité de produits commandés. L’idée est de compiler les demandes minimales pour être compétitif dans ce cahier des charges fonctionnel :

− Que doit faire la puce?

− A quelle vitesse doit-elle exécuter les tâches?

− Quelle taille doit-elle faire?

− Quelle énergie consommera-t-elle?

1.3.3 Conceptual Design du produit

Une fois le cahier des charges rédigé, différents acteurs interviennent : le responsable designer, le technologue, le spécialiste en application physique et l’ingénieur applicatif. En fonction du cahier des charges fonctionnel, ces acteurs discutent des possibilités de conception (architecture du système, architecture du circuit, technologies de production) et quelles seront celles à développer. A la fin de cette étape, les caractéristiques macroscopiques de l’architecture du système sont figées ainsi que celles des technologies pour la fabrication.

Les critères de sélection (ou de conception) d’une technologie sont :

− le nœud technologique. Les dimensions du circuit sont divisées par deux d’un nœud à un autre. Les nouveaux produits sont intégrés quasi-systématiquement sur les technologies les plus agressives. En effet, à fonction et architecture équivalentes, la réalisation d’une puce sur une technologie plus récente consomme moins de surface de silicium et donc le coût de revient par puce est plus faible.

− les performances souhaitées : vitesse de calcul, taille de la mémoire, puissances;

− les cellules mémoires embarquées dans le circuit : E2PROM, ROM, RAM, Flash… ;

− la disponibilité en parties analogiques : il existe des technologies qui permettent de rajouter des architectures analogiques telles que des amplificateurs de puissance, de la communication RF, des transistors bipolaires.

− les fonctionnalités supplémentaires. Les MEM’s sont des structures électromécaniques tandis que les technologies imager ont des propriétés optiques particulières. Certaines technologies sont adaptées à des systèmes logiques pour micro-processeurs.

On notera qu’une même technologie peut être utilisée pour plusieurs produits, seul le dessin des masques photolithographiques changeant. Ainsi, trois options existent lors du choix de la technologie :

− Une technologie adaptée existe déjà: dans ce cas, les designers du circuit dessinent un ensemble de masques photolithographiques (voir le processus dans la suite), les masques sont commandés puis installés sur la route de la technologie déjà existante ;

− Une telle technologie n'existe pas encore, mais le développement de la technologie pour le nouveau produit peut être fait par analogie : seuls quelques photo-masques sont modifiés afin d'ajouter de nouveaux périphériques ou de modifier les performances des cellules ;

− Une telle technologie n'existe pas encore, elle est développée en même temps que le circuit.

La définition d’un boîtier est souvent rapide car à la fois dépendante du choix de la technologie semi-conductrice et de l’application dans laquelle le composant sera intégré. Le développement de nouvelles familles de boitier est largement contraint par le standard JEDEC25, qui est un organisme de normalisation catégorisant les boitiers en familles : les boitiers mis sur le marché doivent répondre à certains critères afin d’être largement adaptés, compatibles et intégrables à tout type d’applications. Il existe deux possibilités:

− Une famille de boitier, répondant au cahier des charges fonctionnel existe déjà : dans ce cas, la route d’assemblage du boitier est facilement adaptable à partir de la description du circuit ;

− Une telle famille de boitier n’existe pas; un nouveau boitier sera développé.

On le voit ici, les phases de définition des concepts des trois éléments (boitier, technologie et circuit) sont séparées, plus ou moins concomitantes, selon un cahier des charges commun. Les contraintes de conception du produit, issues de la phase de conceptual design, sont intégrées dans les définitions propres des concepts de boitier et de technologie

A l’issue de cette phase, le chef de projet collecte les éléments permettant de décider de la faisabilité du produit, c'est-à-dire si son développement est rentable. L’étude de faisabilité a pour but de chiffrer les ressources humaines, matérielles et financières à allouer à la conception ainsi que de délivrer un calendrier. Le chef de projet est en charge de comprendre ce cahier des charges et de définir si un tel produit est faisable. A ce stade de la conception, certains projets sont stoppés.

1.3.4 Embodiment : dessin du circuit électrique par le processus de conception VLSI

La conception d’un circuit consiste à obtenir une description physique des masques du circuit au niveau physique en partant d’une représentation comportementale de niveau système. Le terme de conception regroupe une méthode descendante de conception et des outils associés pour transformer la spécification d’un système en un produit satisfaisant les performances demandées, le

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61 Chapitre 4 : De la conception du produit microélectronique à son éco-conception

coût et les contraintes de qualité et de temps de conception [Rousseau’05].L'équipe de conception du circuit a ainsi des objectifs distincts:

− Respecter les cahiers des charges fonctionnel et structurel. Les critères à respecter sont principalement la taille du circuit, la rapidité et la puissance en fonctionnement ;

− Garantir la fabricabilité ;

− Réduire la connectivité car la vitesse et puissance dépendent de la longueur du trajet des électrons ;

− Réduire le temps de développement ;

− Faciliter la génération de tests (on appelle cette contrainte le Design for Test).

Cette phase est composée de quatre parties principales (Figure 15) : la spécification comportementale, la synthèse comportementale logique, synthèse logique et la conception physique qui génère le layout avant la fabrication des masques. L’annexe 2 décrit ces étapes en détail. Le processus de conception VLSI (Very Large Scale Integrated circuit) est un processus itératif utilisé pour s’assurer d'obtenir un composant dont la fabrication est possible. La fabricabilité est assurée par l'utilisation d'outils VLSI, à l'aide du langage HDL pour décrire la géométrie en 2D. Le modèle proposé ici est simplifié : [Rousseau’05] décrit de façon détaillée les processus mis en jeu.

Figure 15 : Processus simplifié de la conception VLSI

Le principe de « grading in hierarchy » est utilisé dans la conception de circuits VLSI complexes. Un système de grande taille peut être partitionné en plusieurs unités. Chaque unité a des blocs fonctionnels ; les blocs sont construits à partir de cellules ; les cellules sont construites à partir de transistors.

Les principaux paramètres de conception (taille et consommation électrique) évoluent en même temps que l’architecture de la puce. Celle-ci est décrite par un schéma-blocs, représentation graphique d’un système complexe. Les blocs au début de la conception sont des boîtes noires dont la fonction est connue mais pas la structure ni le moyen de réaliser cette action. Les blocs sont connectés les uns aux autres par des lignes d’action. Celles-ci indiquent l’association et la direction des actions. Les blocs deviennent au fur et à mesure de la conception plus détaillés jusqu’à inclure précisément les choix architecturaux.

1.3.5 Detail Design

Avant le lancement en production, un prototype est fabriqué avec les masques de photolithographie dessinés par les designers du circuit puis encapsulé dans le boitier. Le circuit ainsi fabriqué est testé : les instabilités sont identifiées et supprimées. Une fois qualifié, le produit est lancé en production. Les modifications peuvent intervenir alors indépendamment sur le circuit, le boitier ou la puce.