Technologies pour la CAO

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L'intégration de systèmes toujours plus complexes requière des méthodologies et outils de conception adaptés. En effet, les contraintes fonctionnelles et technologiques sont en constante augmentation alors que les exigences ainsi que le temps de mise sur le marché sont toujours plus serrées. Dans le but de répondre à ces contraintes les approches classiques doivent revues et adaptées. Elles doivent tenir compte de concepts complémentaires tels que le formalisme augmenté, la "réutilisabilité" et la capitalisation des savoirs.

L'équipe SMH développe des modèles compacts et des outils de design multi-physiques dédiés aux systèmes instrumentaux à architectures analogiques et mixtes. Nous développons de nouvelles approches de conception pour les systèmes multidisciplinaires en nous basant sur la spécification formelle et les langages de description matériel. Ceci est réalisé en étendant le champ d'application de techniques de mathématiques, développées dans d'autre buts tel que l'arithmétique des intervalles. L'objectif est d'améliorer les vitesses de calcul des simulateurs tout en restant au plus proche du comportement physique des dispositifs avancés.

Phénomènes physiques

Les composants avancés ainsi que les nouveaux composants fondamentaux nécessitent une compréhension complète de certains phénomènes physiques spécifiques. L'une des activités de l'équipe est dédiée à la modélisation physique fondamentale.

Nos récentes recherches ont porté sur les couches désordonnées de nanocristaux de Si pour des applications de grille flottante dans les mémoires non-volatiles et sur des réseaux aléatoires de nanotubes de carbone pour les capteurs chimiques. Actuellement, nous développons un modèle 2D de cellules solaires organiques, en collaboration avec des collègues de l'équipe MaCÉPV.

En parallèle des activités de modélisation, nous utilisation également des techniques avancées pour l'extraction de paramètres des modèles à partir de mesures expérimentales.

Modélisation compacte

Cette activité de recherche se concentre principalement sur la modélisation compacte de nouveaux composants de base tels que les transistors ultimes et également les capteurs à échelle micro et nanométrique développés par l'équipe.

Une large part de ces activités est consacrée à la modélisation de transistors FET ultimes. Depuis plus de 20 ans, notre équipe travaille étroitement sur ce sujet avec des équipes de l'EPFL (Lausanne, Suisse) et l'URV (Tarragone, Espagne). Nous avons réalisé des modèles compacts de FinFET et transistors MOS multi-grilles (à deux, trois, quatre grilles et GAA). Nous travaillons également sur la modélisation de FETs sans jonction à base de nano-fils, qui présentes des performances prometteuses pour les futurs générations de circuits intégrés haute-performance.

La modélisation de capteurs représente un autre volet de nos activités et constitue une étape nécessaire à l'optimisation des systèmes instrumentaux intégrés. Dans ce cadre, nous avons développé des modèles de capteurs magnétiques à effet Hall (HHD and VHD) et à déflection de charges (CHOPFET).

Plus récemment, nous avons initié de nouveaux projets sur la modélisation de capteurs chimiques. Plus spécifiquemet, nous avons étudié des types de cateurs, ceux à base de FETs à nanotubes de carbone d'une part (CNTFET), et les FETs sensibles aux ions (ISFET) d'autre part. Ces deux composant peuvent potentiellement être fonctionnalisés pour être utilisés comme biocapteurs.

Projets en lien

Les principaux projets en lien avec les activités de modélisation compacte sont :

  • FP7 COMON, terminé en 2012, "Modeling of multi-gate SOI transistors"
  • projet XYZ-IRM, "Development of a dedicated system for active minimally-invasive surgery tools tracking in IRM environment"
  • ANR CAPTEX, 2010-2013, "Modeling of CNTFET-based explosive gas sensors and development of their dedicated fully integrated conditioning electronics"
  • projet industriel en collaboration avec la société BURKERT, "Virtual prototyping of Lab-on-Chip (LoC) for pollutant detection"

Modélisation multi-physiques haut niveau et outils de simulation

Afin de répondre aux demandes de plus en plus exigeantes des équipements informatiques et portables, les fabricants de composants se tournent progressivement vers l'intégration 3D consistant à superposer en agencements complexes des puces dans un même boîtier. Une telle approche permet d'envisager la possibilité poursuivre la loi de Moore, voire même de la dépasser ("more than Moore") mais s'accompagne également de nombreux problèmes techniques. En particulier, l'évacuation de la chaleur produite par le circuit intégré est particulièrement délicate et induit une élévation de la température moyenne de fonctionnement ainsi que l'apparition de points chauds. Outre l'augmentation de la consommation, ces problèmes thermiques engendrent également des contraintes mécaniques dues à la dilatation non-uniforme des matériaux, et ont plus généralement un impact négatif sur la fiabilité du circuit.

En l'occurrence, les mécanismes de vieillissement survenant dans les circuits intégrés (électro-migration, NBTI,...) sont d'autant plus important que la température est élevée. Dans le but de minimiser ces effets délétères, il est désormais essentiel de prendre compte les caractéristiques thermiques et mécaniques dès les premiers stades du développement d'un circuit intégré.

Dans ce contexte, nous travaillons depuis 2009 au développement d'un simulateur multi-physiques (électrothermique et mécanique), embarqué dans l'un des outils de CAO standard de l'industrie, en l'occurrence CADENCE®. Aujourd'hui, notre équipe possède un outil opérationnel, validé par expérimentation, pour la simulation des comportements électrothermique et mécanique, dans le flot de conception du circuit intégré. Ceci permet de simuler avec grande précision le comportement du circuit et devrait, à terme, permettre de prévoir précisément le temps de vie d'un système avant qu'il ne tombe en panne.

Projets en lien

Les principaux projets en lien avec les activités de modélisation compacte sont :

  • ANR 3D-IDEAS, terminé en 2012, "Integration and 3D conception technology for imaging systems and applications"

Outils pour la biologie synthétique

La grande base de connaissances dans le domaine des technologies pour la conception de circuits intégrés permet de décliner ces outils à des domaines et supports autres que les circuits intégrés, tel que la biologie synthétique. Il s'agit d'un nouveau domaine où se rejoignent les biotechnologies et les sciences de l'électronique et du semi-conducteur. Le but est d'explorer les possibilités d'adaptation des outils de conception de circuits intégrés à la conception de systèmes biologiques. Ceci permettrait de créer de nouvelles fonctions biologiques par l'assemblage approprié de blocs élémentaires (en l'occurrence des séquences d'ADN) à l'instar du processus de synthèse des circuits numériques. Une activité de l'équipe SMH consiste précisément à identifier et exploiter les similitudes entre ces deux domaines. Cette activité s'intègre donc dans le "Technologies pour la CAO" dans la mesure où elle s'intéresse à la modélisation de blocs élémentaires et au développement d'outils de CAO (bibliothèques de composants, synthétiseur biologique, simulateur dédié, optimiseur ...).

La figure ci-dessous montre les 4 principales étapes du flot de conception de système utilisant des outils CAO, en l'occurrence, 1) la synthèse automatique "haut-niveau", 2) la synthèse "bas-niveau" à partir de bibliothèques de fonctions élémentaires, 3) le prototypage virtuel (modélisation, simulation et optimisation) et 4) l'assemblage final pour la fabrication et les tests. Notre équipe s'intéresse principalement aux étapes 1 à 3. Pour l'étape 1, nous avons proposé d'adapter un synthétiseur logique libre de droit permettant de réaliser des synthèses de haut-niveau élégantes. Pour l'étape 2, nous explorons le potentiel d'algorithmes évolutifs. Pour l'étape 3, nous avons développé différents modèles et formalismes en langage VHDL-AMS capables de décrire des systèmes biologiques. Ceci mène notre équipe à développer un outils capable de générer des modèles biologiques à partir de la description de liens biologiques génériques entre une macrocellule et un liant.

The last step in this design flow is the validation of the built bio-system. We are currently investigating some new leads to perform the characterization of the system by measuring the fluorescence (i.e. the response of the system) on a modular 3D printed lab-on-chip.

Biological synthesis conception flow