Les solutions « technologiques »

L’inconvénient des techniques de design est qu’elles sont adaptées aux technologies actuelles. En conséquence, les problèmes de propagation de délai et d’immunité aux bruits de couplages finiront par se poser à nouveau. Bien qu’actuellement onéreuses et impliquant un changement radical de technologie et de nouvelles techniques de conceptions, des solutions technologiques sont actuellement en cours d’étude.

L’architecture actuellement utilisée pour le design des lignes des réseaux d’interconnexion est une architecture Manhattan (M) pour laquelle les lignes sont orientées horizontalement (angles de 0 degré) et verticalement (90 degré) formant un maillage uniforme. De nouvelles approches d’architecture sont introduites afin de réduire l’impact des effets couplés et des délais de propagation.

Figure I-26 : Types d’architectures utilisées pour le design des réseaux d’interconnexion. De gauche à droite : architecture en M, X et Y.

Parmi ces approches, l’architecture en X qui permet une orientation des lignes de 0, 45 et 135 degrés soit un routage diagonal des lignes permettant une diminution de la longueur de certains chemins (réduction de la longueur de ligne de l’ordre de 20%, réduction des vias de l’ordre de 30%) soit une diminution des délais de propagation et de la consommation en puissance. Dans le même ordre d’esprit, une approche d’architecture en Y a été aussi proposée pour laquelle les lignes sont orientées de 0, 120 et 240 degrés. Cette architecture en étant combinée à l’architecture M permet une nette amélioration des performances des interconnections globales soit des réseaux de distribution d’horloge et d’alimentation. En termes de performance, l’architecture en Y est comparable à l’architecture en X mais a l’avantage de présenter un maillage uniforme de routage comme celui de l’architecture M pour lequel chaque couche de routage présente le même pas (pitch). Une telle architecture est alors plus adaptée par exemple dans le cas de design d’arbres d’horloge car elle ne présente aucun risque d’éventuelles superpositions entre des lignes d’interconnexion parallèles [CHE07]. Enfin, les circuits intégrés tridimensionnels (3D-IC) peuvent offrir une certaine flexibilité dans le design des systèmes et les opérations de placement/routage. Ainsi, l’insertion dans un niveau de métallisation de lignes d’interconnexion verticales (et non plus seulement horizontales) permet une diminution des délais de propagation via une réduction des longueurs de chemins critiques. Par contre, cette approche est davantage destinée à la diminution des coûts en surface que pour de réelles améliorations des performances des réseaux de lignes [RAH00].

D’autres solutions conçoivent de nouveau types de transmission de signal. Dans [BAS02], les signaux transmis à travers les lignes sont en cosinus élevé au lieu d’être des impulsions rectangulaires afin de limiter les couplages capacitifs ; le spectre d’un signal en cosinus élevé étant moins large que celui d’une impulsion. Dans le cadre de la distribution des signaux d’horloge, une approche est proposée afin de remplacer les arbres d’horloge (généralement de topologie en H) par des arbres d’horloge résonants (Figure I-27).

Figure I-27 : Réseau de distribution d’horloge (topologie en H) constitué de 16 domaines d’horloge résonants.

Des jeux d’inductances en spirale et de capacités sont connectés à la structure d’arbre en H formant alors un circuit résonant. La consommation en puissance s’en trouve baissée du fait qu’une telle structure permet alors de réaliser la distribution d’un signal d’horloge au travers du réseau via de faibles tensions d’alimentation [ROS07].

Minimiser les délais de propagation est l’une des deux principales limitations des performances des architectures VLSI. Vu que l’utilisation de matériaux dits « low-k » n’est qu’une solution à court terme afin d’améliorer la vitesse de propagation du signal, de nouveaux concepts d’interconnexions émergent comme les interconnexions RF/micro-ondes ou les interconnexions optiques pour lesquelles les fréquences vont jusque dans le domaine du TeraHertz et des fréquences optiques (d’où des bandes passantes bien plus large) et pour lesquelles les transmissions de signal s’effectuent en espace libre via l’utilisation d’antennes, émetteurs et récepteurs. De telles techniques permettent une optimisation du codage des signaux transmis d’un point à un autre de l’architecture et de travailler aussi pour des tensions plus faibles [HAU06].

Enfin, des solutions imposant un changement radical de technologie sont proposées. Ces solutions sont encore à l’état d’étude mais deviendront inévitables à un long terme et remplaceront les architectures VLSI actuelles. Celle qui est à l’heure actuelle la plus étudiée concerne les nanotubes de carbone. Ce sont des structures tubulaires mécaniquement très flexibles et résistantes produites à partir de feuilles de graphite pour lesquelles les atomes sont

disposés soit en hexagones, pentagones ou heptagones. Leurs diamètres est seulement de l’ordre de quelques nanomètres d’où des effets quantiques très importants (Figure I-28).

Figure I-28 : Représentation 3D d’un nanotube de carbone et de trois types de modes d’enroulement : A « chaise », B « zigzag » et C « chiral ».

Les nanotubes de carbone, suivant leur chiralité, peuvent être tout aussi bien utilisés pour le design des interconnexions que des transistors. De même, ils peuvent être fortement métalliques ou conducteurs (de conductivité plus élevée que celle du cuivre). Les nanotubes présentent de sérieux avantages dans le cas du design des interconnexions du niveau local. En effet, la faible épaisseur des nanotubes permet une diminution des effets capacitifs (notamment les couplages de masse) pour une résistance « raisonnable ». Les effets inductifs étant négligeables dans le niveau local, les nanotubes présentent de réels avantages pour la diminution de délais de propagation et de la puissance dissipée. En revanche, leur utilisation peut s’avérer problématique dans le cas des interconnexions des niveaux intermédiaires et surtout globaux. En effet, la faible résistivité des nanotubes pourraient entraîner une dominance des effets inductifs si les fréquences de fonctionnement sont de l’ordre du gigahertz. Si les problèmes liés aux délais de propagation seront largement résolus (grâce à des bandes passantes plus larges et à une flexibilité des nanotubes permettant des optimisations dans le design des bus), l’impact des tensions de crosstalk liées aux effets inductifs pourraient augmenter impliquant que les commutations parasites deviendraient le principal problème dans l’intégrité des signaux. Si cette solution présentera un réel intérêt pour les technologies futures, remplacer des lignes de cuivre de ces deux niveaux par des structures en nanotubes de carbone de même géométrie pour les technologies actuelles n’a d’intérêt que pour la diminution de la consommation en puissance ; les délais de propagation étant du même ordre surtout si des solutions de minimisations (insertion de buffers par exemple) sont déjà appliquées à la structure [NAE07].