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« Modélisation à haut niveau de systèmes hétérogènes, interfaçage analogique/numérique ».

Auteur : F. Cenni
Directeur de thèse : E. Simeu
Président du jury : P. Girard
Rapporteur(s) de thèse : Ch. Grimm, B. Granado,
These de Doctorat Université de Grenoble
Spécialité : micro et nano électronique
Soutenance : 06/04/2012
ISBN : 978-2-84813-185-6

Résumé

Le développement formidable de la technologie utilisée pour la conception de circuits électroniques permet aujourd'hui l'intégration de systèmes de plus en plus complexes. Cette avancée technologique a pu se réaliser grâce à la réduction de la taille des dispositifs électroniques qui est aussi liée à l'amélioration de l'efficacité des outils de ``conception assistée par ordinateur'' (CAO). La conception de systèmes hétérogènes extrêmement complexes tels que les ``systèmes sur puce'' (SoC) à signaux mixtes, est désormais une réalité. La cohabitation de plusieurs domaines physiques dans les systèmes sur puce d'aujourd'hui tels que mécaniques, chimiques, optiques ou magnétiques justifie l'investissement qui a lieu dans les outils de CAO dédiés à la conception de ces SoCs. Aujourd'hui, la conception de composants individuels est généralement bien comprise et optimisée grâce à l'utilisation d'une diversité d'outils de CAO et d'automatisation de la conception électronique (EDA), de langages de conception, et de formats de données plus ou moins standard. Ceci implique la mise en œuvre de différents concepts de modélisation et abstraction, de formalismes de description (aussi appelé ``modèles de calcul'' (MoC)) et de méthodes d'analyse et simulation spécialisées. Le concepteur doit combler le fossé entre les outils et les méthodologies en convertissant manuellement les modèles et en couplant les outils spécialisés pour tel ou tel domaine, ce qui est source d'erreurs et requière beaucoup de temps. La validation des interactions entre cette grande diversité de composants individuels dans les systèmes récents est d'un intérêt vital pour l'ensemble du système qui doit fonctionner en conformité avec les spécifications demandées par le client. Au début de la phase de conception, l'interaction entre les différents blocs de propriété intellectuelle (IP) intégrés dans le système ne peut être validée que par la mise à disposition d'un modèle dédié à la simulation au niveau système pour chaque bloc. Différents niveaux d'abstraction peuvent être définis lors de la modélisation des IPs. Une abstraction de haut niveau modélise seulement le comportement du système en se contentant d'une précision réduite par rapport au dispositif réel. Des parties analogiques et numériques coexistent dans un même système. Il est alors nécessaire de modéliser les deux parties afin de réaliser une simulation globale de celui-ci. Par ailleurs les parties numériques intègrent des processeurs avec leurs logiciels embarqués. La validation de l'interaction entre les parties analogiques et à signaux mixtes (AMS) avec les parties numériques et le logiciel embarqué devient d'une importance cruciale. Pour atteindre un tel objectif, un environnement de conception et de simulation basée sur le standard IEEE 1666 (SystemC) utilisé pour le numérique s'est récemment affirmé. Cet environnement, proposé par l'OSCI (``Open SystemC Initiative'') est appelé SystemC AMS. Il permet de créer et d'affiner un prototype virtuel du système entier à un haut niveau d'abstraction. L'intégration de différents formalismes de description (MoCs) rend possible la description de nombreuses formes de comportement et d'interaction. L'exploration de différentes architectures, l'estimation des performances, la validation de IPs réutilisés (``IP reuse''), la vérification précoce du développement du logiciel embarqué et son débogage, la vérification des interfaces entre les composants hétérogènes et l'interopérabilité avec d'autres systèmes deviennent alors possibles. Cette thèse traite de la modélisation de systèmes à la fois hétérogènes car intégrants différents domaines de la physique et à signaux mixtes, numériques et analogiques (AMS). En particulier, le manuscrit présente une étude approfondie de différentes techniques d'extraction de modèles comportementaux à différents niveaux d'abstraction et de précision. Bien que les outils développés pour l'extraction de modèles comportementaux soient principalement basés sur les extensions AMS du standard IEEE 1666 SystemC, la méthodologie peut être aussi appliquée à d'autres langages couramment utilisés pour la description de matériel analogique et mixte (AHDL) tels que Verilog-AMS et VHDL-AMS. Les techniques d'extraction de modèles peuvent être regroupées en trois branches: Premièrement, une technique partant d'une description sous forme de schéma au niveau transistor ou d'une netlist d'entrée est étudiée et automatisée afin d'extraire la représentation d'état. D'autres informations souhaitées peuvent aussi être extraites comme par exemple des fonctions dépendant des tensions ou des courants aux nœuds du circuit. Cette technique peut être utilisée pour extraire l'information sur la consommation en énergie du circuit analysé. Deuxièmement, des techniques basées sur l'approximation de réponses fréquentielles par ajustement analytique sont explorées, soit pour réduire l'ordre d'un modèle déjà disponible ou bien pour construire un modèle analytique simulable à partir de résultats obtenus avec d'autres outils de CAO de plus bas niveau. Enfin, les techniques d'identification de modèles paramétriques pour l'extraction de modèles dits à ``boîte-noire'' à partir de données obtenues de façon empirique, de simulations de modèles précis ou de données de mesure sont proposées. Une bibliothèque preuve-de-concept mise en œuvre en utilisant SystemC AMS démontre l'applicabilité de la méthode par une étude de cas réalisant la minimisation de la consommation d'un amplificateur faible bruit (LNA). Le caractère mixte de la thèse, universitaire et industriel (CIFRE), en collaboration avec l'entreprise STMicroelectronics, a permis la modélisation d'un capteur d'image CMOS commercial. Cette étude de cas vise à une simulation globale d'une plate-forme industrielle pour des applications mobiles décrites au niveau transactionnel, en utilisant le formalisme de modélisation SystemC-TLM (``Transaction Level Modeling''). Pour ce faire, l'interface analogique/numérique entre les MoCs propres à SystemC AMS et les différents styles de codage en SystemC-TLM est étudiée et adaptée aux protocoles TLM propriétaires de STMicroelectronics. Ceci est preuve de l'applicabilité de la méthode et de son insertion dans un flot de conception industriel basé sur SystemC AMS. Les modèles du capteur d'image sont extraits à différents niveaux en utilisant différents modèles de calcul de SystemC AMS. Cette modélisation à différents niveau montre des gains en temps de simulation impressionnants par rapport aux modèles de plus bas niveau et notamment au modèle en VHDL-AMS qui a servi de référence. La plate-forme virtuelle obtenue permet de calibrer de façon précoce les algorithmes de correction d'image et du logiciel embarqué en augmentant la fiabilité globale du produit. Elle est en cours d'introduction dans le flot industriel standard.

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