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 ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) sont des circuits intégrés conçus pour réaliser une fonction précise. Contrairement aux FPGA, qui peuvent être reprogrammés après leur fabrication, un ASIC est fabriqué pour une application déterminée et son fonctionnement ne peut plus être modifié.

Cette spécialisation permet d'obtenir des performances très élevées, une consommation électrique réduite, une grande fiabilité et un coût de fabrication très faible lorsque les quantités produites sont importantes.

Les ASIC sont utilisés dans les smartphones, les consoles de jeux, les équipements réseau, les appareils photo, les cartes bancaires, les véhicules, les satellites et de nombreux appareils électroniques du quotidien.

Le principe de fonctionnement

Avant sa fabrication, un ASIC est entièrement conçu et simulé par des ingénieurs en électronique numérique.

Toutes les fonctions nécessaires sont intégrées directement dans la puce : unités de calcul, mémoires, interfaces de communication, contrôleurs ou accélérateurs matériels.

Une fois la conception terminée, les masques de fabrication sont réalisés puis utilisés pour produire les puces dans une usine spécialisée.

Après cette étape, l'architecture interne de l'ASIC devient définitive et ne peut plus être modifiée.

Pourquoi utiliser un ASIC ?

Un processeur exécute un logiciel pour réaliser différentes tâches, tandis qu'un ASIC effectue directement les opérations pour lesquelles il a été conçu.

Il n'a donc pas besoin d'interpréter des instructions générales, ce qui lui permet de travailler plus rapidement tout en consommant moins d'énergie.

Par exemple, un circuit chargé uniquement de décoder un flux vidéo pourra être beaucoup plus efficace qu'un processeur exécutant un logiciel réalisant la même tâche.

Les différentes familles d'ASIC

Il existe plusieurs catégories d'ASIC selon leur méthode de conception.

Les ASIC entièrement personnalisés (Full Custom) sont dessinés entièrement à partir des transistors. Ils offrent les meilleures performances mais demandent un travail de conception très important.

Les ASIC à cellules standard (Standard Cell) utilisent des bibliothèques de blocs électroniques déjà conçus, ce qui accélère leur développement.

Les ASIC semi-personnalisés utilisent des structures préfabriquées qui sont adaptées à l'application recherchée.

La conception

La conception d'un ASIC débute par l'étude des fonctions que devra réaliser le futur circuit.

Les ingénieurs décrivent ensuite son fonctionnement à l'aide de langages comme VHDL ou Verilog.

Le circuit est simulé afin de vérifier son fonctionnement, puis des logiciels spécialisés placent automatiquement les millions de portes logiques, les mémoires et les interconnexions sur la puce.

Lorsque toutes les vérifications sont terminées, les fichiers de fabrication sont envoyés à la fonderie.

Les performances

Les ASIC sont optimisés pour leur tâche spécifique.

Ils fonctionnent généralement plus rapidement qu'un FPGA réalisant le même traitement et consomment moins d'énergie.

Comme toutes les ressources de la puce sont utilisées uniquement pour l'application prévue, les performances sont particulièrement élevées.

La consommation électrique

L'une des principales qualités des ASIC est leur faible consommation.

Les circuits inutiles sont supprimés et chaque partie est optimisée afin de limiter les pertes d'énergie.

Cette caractéristique est particulièrement importante dans les smartphones, les objets connectés et les équipements alimentés par batterie.

Le coût de fabrication

Le développement d'un ASIC est très coûteux.

La conception, les simulations et la fabrication des masques représentent un investissement pouvant atteindre plusieurs millions d'euros.

En revanche, lorsque la production atteint plusieurs centaines de milliers ou plusieurs millions d'exemplaires, le coût de chaque puce devient très faible.

C'est pourquoi les ASIC sont surtout utilisés dans les produits fabriqués en très grande série.

Les limites des ASIC

Une fois fabriqué, un ASIC ne peut pratiquement plus être modifié.

Si une erreur importante est découverte ou si de nouvelles fonctions doivent être ajoutées, il est souvent nécessaire de concevoir une nouvelle version de la puce puis de relancer toute la fabrication.

Cette absence de flexibilité constitue la principale différence avec les FPGA.

Les ASIC et les SoC

De nombreux ASIC modernes regroupent plusieurs fonctions sur une seule puce.

Ils peuvent intégrer un ou plusieurs processeurs, des mémoires, des accélérateurs graphiques, des contrôleurs réseau, des modules radio ou encore des circuits d'intelligence artificielle.

Lorsqu'un ASIC rassemble ainsi l'ensemble des fonctions principales d'un système électronique, on parle généralement de SoC (System on Chip).

Les applications

Les ASIC sont utilisés dans les smartphones, les consoles de jeux, les cartes graphiques, les appareils photo numériques, les décodeurs vidéo, les cartes bancaires, les modems Internet, les routeurs, les systèmes automobiles, les satellites, les équipements médicaux et de nombreux appareils électroniques grand public.

Ils sont également employés dans les centres de données pour accélérer certaines tâches comme le chiffrement, la compression de données ou l'intelligence artificielle.

Les ASIC spécialisés

Certains ASIC sont développés pour une seule application très particulière.

Par exemple, les ASIC de minage sont conçus pour effectuer très rapidement les calculs nécessaires à certaines cryptomonnaies.

D'autres ASIC accélèrent exclusivement le traitement vidéo, la reconnaissance vocale, la vision artificielle ou les calculs d'intelligence artificielle.

Quelques ASIC célèbres

Les processeurs des smartphones modernes, les circuits de gestion des SSD, les contrôleurs USB, les puces Wi-Fi, les décodeurs vidéo des téléviseurs, les circuits Apple de la série A, de nombreux circuits Qualcomm Snapdragon ainsi que les processeurs Google Tensor sont des exemples d'ASIC développés pour des applications spécifiques.