Contrôle du spectre électromagnétique d’un circuit numérique asynchrone

Electromagnetic spectrum control of asynchronous digital circuits

• Auteur / Autrice : Sophie Germain
• Direction : Laurent Fesquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 25/11/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’informatique et de la microélectronique pour l’architecture des systèmes intégrés (Grenoble, Isère, France ; 1994-....)
• Jury : Président / Présidente : Luc Hebrard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Ndagijimana, Sylvain Engels
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sonia Ben Dhia, Lionel Torres

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

Circuits asynchrones

Compatibilité électromagnétique

Mots clés libres

Circuits asynchrones

Compatibilité électromagnétique

Flot de conception

Asynchronous circuits

Electromagnetic compatibility

Design flow

Résumé

La compatibilité électromagnétique des circuits est devenue un enjeu majeur en conception numérique. Des méthodes de conception existent déjà pour réduire de manière qualitative le rayonnement des circuits synchrones. Cependant, il est difficile de réduire les harmoniques du spectre dues au signal d’horloge. La logique asynchrone est une alternative très intéressante, qui permet d’éviter la commutation simultanée de tous les éléments de mémorisation et de supprimer les harmoniques de l’horloge. Nous avons développé un flot de conception pour mettre en forme le rayonnement électromagnétique et ainsi répondre aux normes de compatibilité électromagnétique. Notre méthode s’applique à des circuits asynchrones. Une analyse temporelle statique permet d’extraire les délais à insérer dans le chemin de contrôle nécessaire au respect des hypothèses temporelles. Cette analyse sert aussi à annoter le modèle du circuit dans un simulateur analogique rapide, qui a été développé spécifiquement pour extraire sa consommation de courant. Grâce à ce simulateur, en calculant la transformée de Fourier, il est possible de remonter au spectre électromagnétique. Un algorithme génétique est alors utilisé pour créer des combinaisons de délais, permettant de mettre en forme le spectre selon le gabarit spécifié. Des mesures électromagnétiques sur un circuit de test, fabriqué en technologie CMOS 40 nm STMicroelectronics, ont montré que notre méthode permet de contrôler le rayonnement électromagnétique du circuit.

Electromagnetic Compatibility has become a major issue for the digital designers. Several techniques exist qualitatively reducing the electromagnetic emissions of synchronous circuits. Nevertheless, the clocked activity produces strong periodic current pulses on the power supply, generating harmonics in the electromagnetic spectrum. Contrarily, asynchronous designs, also known as clockless circuits, show a spread electromagnetic spectrum without harmonics. We have developed a design flow in order to shape the electromagnetic spectrum and meet electromagnetic compatibility standards. Our method only applies to asynchronous circuits. A static timing analysis is performed to extract the delays of the control path that guarantee the timing assumptions. This analysis is used to annotate the circuit model in a fast analog simulator, which was specifically developed to extract its current consumption. Thanks to this simulator and a Fast Fourier Transform, it is possible to get the electromagnetic spectrum. A genetic algorithm is then used to create delay combinations shaping the spectrum in order to match the targeted spectral mask. Electromagnetic measurements on a test chip, manufactured in STMicroelectronics CMOS 40nm technology, have shown that our method allows controlling the electromagnetic field of the circuit.