Les circuits intégrés numériques sont des puces électroniques conçues pour traiter des informations sous la forme de valeurs discrètes. Alors qu'un circuit analogique travaille avec des tensions ou des courants pouvant prendre continuellement différentes valeurs, un circuit numérique utilise principalement des états logiques distincts.

Le système le plus courant repose sur deux états représentés par 0 et 1. Ces deux valeurs correspondent physiquement à des plages de tensions électriques. Un 0 logique n'est donc pas nécessairement une tension exactement égale à zéro volt, et un 1 logique n'est pas nécessairement une tension exactement égale à la tension d'alimentation. Le circuit définit des plages de tension dans lesquelles chaque état est reconnu sans ambiguïté.

Cette représentation permet de traiter des nombres, des caractères, des images, des sons, des instructions et de nombreuses autres informations en les transformant en suites de bits.

Des composants séparés aux circuits numériques intégrés

Les premiers systèmes numériques étaient constitués de nombreux composants électroniques reliés entre eux. Chaque fonction logique nécessitait plusieurs transistors, résistances et autres composants, eux-mêmes reliés par des fils ou des pistes.

L'intégration de ces composants sur une même plaque de silicium a profondément changé cette organisation. Des fonctions qui occupaient autrefois une grande quantité de composants peuvent désormais être réalisées sur une seule puce contenant des milliers, des millions ou des milliards de transistors.

La miniaturisation a également réduit les distances parcourues par les signaux électriques. Les informations circulent ainsi plus rapidement entre les différentes parties d'un même circuit, tandis que les connexions externes deviennent beaucoup moins nombreuses.

Les transistors comme éléments logiques

Le fonctionnement d'un circuit numérique repose principalement sur des transistors. Utilisés dans certaines configurations, ils permettent de contrôler le passage du courant et de représenter les différents états logiques.

Plusieurs transistors peuvent être associés pour réaliser une fonction logique. Des combinaisons de ces fonctions permettent ensuite d'effectuer des opérations beaucoup plus complexes.

Une porte logique peut par exemple produire un 1 uniquement lorsque deux entrées sont simultanément à 1. Une autre peut produire un 1 lorsqu'au moins une de ses entrées est à 1. En associant ces fonctions élémentaires, les concepteurs construisent progressivement des circuits capables d'effectuer des calculs, de prendre des décisions et de manipuler des données.

Des portes logiques aux fonctions complexes

Les portes logiques constituent les éléments de base à partir desquels sont construits les circuits numériques plus élaborés. Elles sont regroupées en ensembles réalisant des opérations particulières.

Certains ensembles effectuent des additions et des soustractions, d'autres réalisent des comparaisons, sélectionnent une information parmi plusieurs possibilités ou déplacent des données. D'autres encore contrôlent l'ordre dans lequel les différentes opérations sont effectuées.

La complexité augmente ainsi par niveaux successifs : quelques transistors forment une fonction élémentaire, plusieurs fonctions forment un bloc logique, puis de nombreux blocs sont réunis dans une même puce.

La logique combinatoire

Dans un circuit de logique combinatoire, l'état des sorties dépend directement de l'état présent des entrées.

Une modification des entrées provoque donc une modification correspondante des sorties après le très court temps nécessaire aux signaux pour traverser les différents transistors et portes logiques.

Un circuit qui additionne deux nombres binaires constitue un exemple de logique combinatoire. Il reçoit les bits des deux nombres et produit immédiatement les bits correspondant au résultat.

La logique séquentielle

D'autres circuits doivent conserver une information pendant un certain temps. Ils utilisent alors une logique séquentielle, capable de mémoriser un état précédent.

Des cellules élémentaires peuvent ainsi conserver un bit, tandis que l'association de nombreuses cellules permet de conserver des suites de bits beaucoup plus importantes.

Cette capacité à conserver un état est essentielle pour réaliser des systèmes qui doivent suivre une succession d'étapes, compter des événements, conserver temporairement des données ou exécuter une série d'opérations dans un ordre déterminé.

Le temps et l'horloge

Les circuits numériques complexes doivent synchroniser leurs opérations. Une horloge électronique fournit alors un signal périodique servant de référence temporelle.

À chaque transition de l'horloge, certaines parties du circuit peuvent enregistrer une nouvelle valeur, tandis que d'autres commencent l'opération suivante.

La fréquence de l'horloge indique le nombre de cycles effectués chaque seconde. Une fréquence de 1 GHz correspond ainsi à un milliard de cycles par seconde.

La fréquence seule ne détermine cependant pas la quantité de travail réellement effectuée. L'organisation interne du circuit, le nombre d'opérations réalisées par cycle, les temps d'accès aux données et les échanges entre les différents blocs interviennent également.

Les données binaires

Les circuits numériques manipulent les informations sous forme de bits. Un bit peut prendre deux états, 0 ou 1. En regroupant plusieurs bits, il devient possible de représenter des nombres beaucoup plus importants.

Huit bits forment un octet et permettent de représenter 256 valeurs différentes, de 0 à 255 lorsqu'ils sont utilisés pour coder des nombres entiers non signés.

Des groupes beaucoup plus importants de bits sont utilisés pour représenter des nombres, des caractères, des couleurs, des instructions ou des adresses. Une image numérique, par exemple, est finalement stockée sous la forme d'une immense quantité de valeurs binaires.

Le traitement des instructions

Certains circuits numériques sont capables d'interpréter une succession d'instructions. Une instruction est elle-même représentée sous forme binaire et indique l'opération à effectuer ainsi que les données concernées.

Le circuit récupère une instruction, l'interprète puis active les différents blocs nécessaires à son exécution. Il peut ensuite passer à l'instruction suivante.

Cette organisation permet de réaliser des programmes complexes sans modifier physiquement les connexions internes de la puce à chaque nouvelle tâche.

Les échanges entre les blocs

Dans une puce complexe, les différents blocs doivent continuellement échanger des données. Ces échanges utilisent des liaisons numériques constituées de nombreuses connexions parallèles ou de liaisons série à très grande vitesse.

Plusieurs bits peuvent être transportés simultanément sur des lignes différentes. Une liaison de 32 bits peut ainsi transporter 32 bits en parallèle lors d'une opération de transfert, tandis qu'une liaison série transmet les bits les uns après les autres à très haute fréquence.

Les circuits internes utilisent également des signaux de contrôle pour indiquer qu'une donnée est disponible, qu'une opération doit commencer ou qu'un transfert peut se poursuivre.

Les différents blocs d'une puce numérique

Une puce numérique complexe est généralement constituée de nombreux blocs spécialisés. Certains réalisent les opérations logiques et arithmétiques, d'autres conservent les informations, d'autres encore organisent les échanges de données ou contrôlent le fonctionnement général du circuit.

La quantité et l'organisation de ces blocs dépendent de la fonction recherchée. Une puce destinée principalement au calcul ne possède pas nécessairement la même architecture qu'une puce conçue pour conserver de grandes quantités de données ou traiter rapidement des opérations répétitives.

Certaines puces regroupent également plusieurs fonctions très différentes sur une même surface de silicium. Cette intégration permet de réduire le nombre de composants externes et les distances entre les différents traitements.

La mémoire dans les circuits numériques

La capacité à stocker des informations binaires constitue une fonction fondamentale de l'électronique numérique.

Une cellule élémentaire peut conserver un bit. En regroupant des milliers, des millions ou des milliards de cellules, une puce peut conserver des quantités considérables de données.

Les différentes technologies de stockage ne possèdent pas les mêmes caractéristiques. Certaines permettent des accès extrêmement rapides mais sont utilisées pour de petites quantités de données, tandis que d'autres peuvent conserver beaucoup plus d'informations avec une densité élevée.

La manière dont les données sont conservées, la vitesse d'accès, la consommation électrique et la conservation ou non des informations lorsque l'alimentation est coupée dépendent de la technologie utilisée.

La miniaturisation

L'un des principaux progrès des circuits intégrés numériques est l'augmentation constante du nombre de transistors pouvant être placés sur une même puce.

La réduction des dimensions permet d'intégrer davantage de fonctions sur une surface identique. Elle réduit également certaines capacités électriques parasites et permet de faire fonctionner les transistors à des fréquences très élevées.

Cette miniaturisation impose cependant des contraintes importantes. Lorsque les structures deviennent extrêmement petites, les variations de fabrication, les fuites électriques, la dissipation thermique et les effets physiques liés aux très faibles dimensions deviennent plus difficiles à maîtriser.

La consommation électrique

Un circuit numérique consomme de l'énergie lorsqu'il change d'état et lorsque ses différents transistors présentent des courants de fuite.

Une partie de cette énergie est transformée en chaleur. Plus une puce contient de transistors et plus elle fonctionne rapidement, plus la gestion de cette chaleur devient importante.

Les concepteurs cherchent donc à réduire la tension d'alimentation, limiter les commutations inutiles et désactiver certaines parties du circuit lorsqu'elles ne sont pas utilisées.

La fiabilité des signaux numériques

Un circuit numérique ne doit pas seulement produire des 0 et des 1. Il doit les produire suffisamment rapidement et avec des niveaux électriques suffisamment éloignés des zones d'incertitude pour que les circuits suivants les interprètent correctement.

Les parasites électriques, les variations de tension, les retards de propagation et les interférences entre les connexions peuvent perturber les signaux.

Les circuits sont donc conçus avec des marges électriques et temporelles permettant de conserver un fonctionnement fiable malgré ces perturbations.

Des circuits simples aux systèmes très complexes

Les premiers circuits numériques intégrés ne contenaient qu'un nombre relativement faible de composants. Les progrès de la fabrication du silicium ont ensuite permis d'augmenter progressivement leur densité.

Cette évolution a conduit à des puces capables de réunir sur quelques millimètres carrés des unités de calcul, des systèmes de stockage, des blocs spécialisés et de nombreuses interfaces de communication.

La conception moderne consiste donc moins à relier quelques composants qu'à organiser des ensembles extrêmement complexes de blocs électroniques contenant chacun des millions de transistors.

Les circuits intégrés numériques constituent ainsi une famille très vaste. Certains sont principalement destinés au traitement des instructions, d'autres au calcul spécialisé, au stockage des données, à la réalisation de fonctions programmables ou encore à l'intégration de plusieurs fonctions dans une même puce.

Les FPGA (Field Programmable Gate Array) sont des circuits intégrés numériques dont le fonctionnement peut être entièrement reprogrammé après leur fabrication. Contrairement à un processeur qui exécute des instructions une par une, un FPGA permet de créer directement le circuit électronique souhaité à l'intérieur de la puce.

Cette technologie offre une très grande souplesse. Le même composant peut être configuré pour devenir un processeur, un contrôleur de communication, un décodeur vidéo, un système de traitement d'images ou tout autre circuit numérique complexe.

Les FPGA sont utilisés dans les télécommunications, l'aéronautique, l'industrie, les centres de données, les équipements médicaux, les systèmes embarqués et le développement de nouveaux circuits électroniques.

Le principe de fonctionnement

Un FPGA est constitué de milliers, voire de plusieurs millions de petits blocs logiques reliés entre eux par un vaste réseau de connexions programmables.

Lors de la programmation, le concepteur choisit quelles connexions doivent être établies afin de construire le circuit désiré.

Une fois configuré, le FPGA se comporte exactement comme un circuit électronique spécialement fabriqué pour cette application.

Contrairement à un logiciel qui s'exécute successivement sur un processeur, toutes les parties du circuit créées dans un FPGA peuvent fonctionner en même temps.

Les blocs logiques

Les blocs logiques constituent les éléments de base du FPGA.

Ils renferment principalement des portes logiques, des bascules, des multiplexeurs et de petites mémoires appelées LUT (Look-Up Tables).

Ces blocs permettent de réaliser aussi bien des opérations très simples que des circuits numériques extrêmement complexes.

Les interconnexions programmables

Les blocs logiques sont reliés par un réseau d'interconnexions programmables.

Ce réseau agit comme un immense câblage électronique dont les connexions peuvent être modifiées par programmation.

C'est cette architecture qui donne au FPGA sa grande flexibilité.

Les blocs d'entrée et de sortie

Autour de la puce se trouvent les blocs d'entrée et de sortie, appelés IOB (Input/Output Blocks).

Ils permettent au FPGA de communiquer avec les mémoires, les capteurs, les écrans, les processeurs, les réseaux de communication ou d'autres circuits électroniques.

Selon les modèles, ils prennent en charge de nombreuses normes électriques et des débits pouvant atteindre plusieurs dizaines de gigabits par seconde.

Les ressources intégrées

Les FPGA modernes ne se limitent plus à de simples portes logiques.

Ils intègrent également de nombreuses ressources spécialisées comme des blocs de mémoire RAM, des multiplicateurs matériels, des unités de calcul numérique (DSP), des contrôleurs mémoire, des interfaces Ethernet, PCI Express ou encore des transceivers très haut débit.

Ces ressources permettent de construire des systèmes électroniques extrêmement performants sur une seule puce.

La programmation d'un FPGA

Contrairement aux microcontrôleurs, un FPGA ne se programme pas principalement avec un langage comme le C ou le C++.

On utilise des langages de description matérielle, tels que VHDL ou Verilog.

Ces langages décrivent directement l'organisation du circuit électronique plutôt que la suite d'instructions à exécuter.

Les outils de développement convertissent ensuite cette description en un fichier de configuration appelé bitstream, qui est chargé dans le FPGA.

Le parallélisme

L'un des principaux avantages des FPGA est leur capacité à effectuer de nombreux traitements simultanément.

Chaque partie du circuit fonctionne indépendamment des autres, sans attendre la fin des calculs voisins.

Cette exécution parallèle permet d'obtenir des performances très élevées pour le traitement des images, des vidéos, des signaux radio ou des données scientifiques.

Les FPGA et les processeurs

Dans de nombreux systèmes, un FPGA travaille aux côtés d'un processeur.

Le processeur exécute les logiciels classiques, tandis que le FPGA réalise les traitements matériels nécessitant une très grande rapidité ou un fonctionnement simultané.

Certains composants regroupent même un processeur ARM et un FPGA sur une seule puce afin de combiner les avantages des deux technologies.

Les avantages des FPGA

Les FPGA peuvent être reprogrammés autant de fois que nécessaire, ce qui facilite les essais, les mises à jour et les corrections.

Ils offrent une très grande vitesse d'exécution, un fonctionnement fortement parallèle et une excellente adaptabilité.

Ils permettent également de développer rapidement un prototype avant la fabrication d'un circuit intégré définitif.

Les limites des FPGA

Les FPGA sont généralement plus coûteux et consomment davantage d'énergie qu'un circuit spécialement conçu pour une seule application.

Leur programmation est également plus complexe et demande une bonne connaissance de l'électronique numérique et des langages de description matérielle.

Les applications

Les FPGA sont utilisés dans les stations de base des réseaux mobiles, les équipements de télécommunication, les satellites, les radars, les systèmes de vision industrielle, les caméras professionnelles, les appareils médicaux, les accélérateurs d'intelligence artificielle, les instruments scientifiques et les centres de calcul.

Ils servent également au prototypage des futurs circuits intégrés avant leur fabrication sous forme d'ASIC.

Quelques FPGA célèbres

Les principaux fabricants de FPGA sont AMD Xilinx, Intel (anciennement Altera), Lattice Semiconductor et Microchip Technology.

Les familles Spartan, Artix, Kintex, Virtex, Cyclone et MAX sont largement utilisées dans l'industrie, la recherche et l'enseignement.