DTCO : la co-optimisation conception-technologie au cœur des semi-conducteurs avancés
L’approche dite Design-Technology Co-Optimization (DTCO) est devenue un élément central du développement des circuits intégrés de dernière génération et des architectures électroniques associées.
En matière de conception des circuits intégrés modernes, l’optimisation des performances ne repose plus uniquement sur la progression des procédés de fabrication ou sur l’amélioration des méthodes de conception. Les deux dimensions sont désormais étroitement liées. C’est dans ce contexte qu’est apparue l’approche dite Design-Technology Co-Optimization (DTCO), qui vise à coordonner le développement technologique et la conception des circuits dès les premières phases d’un projet.
La DTCO est une approche de co-développement qui vise à aligner étroitement technologie de fabrication et conception des circuits afin de maintenir la viabilité industrielle, les performances et l’efficacité énergétique des circuits intégrés dans les technologies avancées.
Une évolution du modèle traditionnel de conception
Historiquement, le développement d’un circuit intégré suivait une logique relativement séquentielle. Les fonderies mettaient au point un nouveau procédé de fabrication et publiaient ensuite un PDK (Process Design Kit) contenant les modèles électriques et les règles de conception. Les équipes de design utilisaient alors ces éléments pour développer les circuits.
Avec l’avancée vers des nœuds technologiques de plus en plus fins, cette séparation est devenue moins efficace. Les choix technologiques influencent désormais directement les architectures de circuits et les stratégies de conception. La DTCO repose donc sur une démarche collaborative dans laquelle le procédé de fabrication, les règles de conception et l’architecture du circuit sont ajustés de manière conjointe.
L’objectif consiste à atteindre des compromis équilibrés entre plusieurs paramètres clés de l’ingénierie des semi-conducteurs : performances, consommation énergétique, surface occupée sur la puce et capacité à produire le circuit de manière fiable à l’échelle industrielle.
Un contexte technologique plus contraint
L’importance de la DTCO s’est renforcée avec l’introduction de technologies de transistors avancées et de techniques de lithographie plus complexes. Les architectures de transistors telles que FinFET puis Gate-All-Around transistor ont permis de poursuivre la miniaturisation des composants, mais elles s’accompagnent de contraintes de fabrication plus strictes. De même, l’adoption de la lithographie Extreme Ultraviolet Lithography modifie les paramètres de conception et impose des règles de layout spécifiques.
Dans ces environnements technologiques, les marges de conception se réduisent et les interactions entre géométrie des transistors, routage des interconnexions et variabilité du procédé deviennent plus sensibles. Les décisions prises au niveau du procédé peuvent influencer la densité des cellules logiques ou les performances électriques des circuits. Inversement, certaines architectures de circuits peuvent nécessiter des adaptations du procédé de fabrication.
Une approche itérative entre procédé et design
La DTCO repose sur une série de boucles de rétroaction entre les équipes de développement du procédé et les concepteurs de circuits. Les règles de design, telles que les espacements entre motifs, l’orientation des grilles ou les structures de contacts, peuvent être ajustées pour mieux correspondre aux capacités réelles du procédé.
Dans le même temps, les bibliothèques de cellules standards et les blocs analogiques sont adaptés afin de tirer parti des caractéristiques technologiques disponibles. Cette optimisation vise à améliorer la densité d’intégration ou l’efficacité énergétique tout en maintenant un niveau de fiabilité compatible avec la production en volume.
Les outils de modélisation et les PDK évolutifs jouent un rôle important dans ce processus. Ils permettent aux concepteurs de simuler précocement l’impact de certaines décisions technologiques et d’orienter les choix de conception avant même la finalisation du procédé. Les prototypes de design et les simulations servent ainsi de support à l’évaluation conjointe de plusieurs critères, notamment les performances, la consommation, la surface occupée sur la puce, qui sonnt souvent regroupées sous l’acronyme PPA (Power, Performance, Area), mais aussi la variabilité et le rendement de fabrication.
Une collaboration élargie dans l’écosystème des semi-conducteurs
La mise en œuvre de la DTCO implique plusieurs acteurs de la chaîne de développement des circuits intégrés. Les fonderies interviennent sur la définition et l’évolution du procédé de fabrication. Les équipes de conception de circuits exploitent ces technologies pour développer les architectures logiques ou analogiques. Les éditeurs d’outils de conception électronique assistée par ordinateur (EDA) contribuent quant à eux à fournir les environnements de simulation, de placement-routage et de vérification nécessaires à ces optimisations.
Dans certains cas, les architectes système participent également au processus afin d’aligner les choix de conception au niveau du circuit avec les besoins fonctionnels du produit final.
DTCO et évolution vers l’optimisation système
La DTCO s’inscrit dans une tendance plus large d’optimisation conjointe à différents niveaux de la conception électronique. Elle est souvent associée à la System-Technology Co-Optimization (STCO), qui étend cette logique à l’échelle du système complet.
Alors que la DTCO se concentre principalement sur les dispositifs, les cellules et les circuits, la STCO prend en compte des aspects plus larges tels que l’architecture des systèmes sur puce, les interconnexions avancées, les architectures chiplets ou les empilements tridimensionnels de circuits (3D-IC). Cette approche devient particulièrement pertinente dans un contexte où les performances globales d’un produit dépendent autant du packaging et de l’architecture système que du transistor lui-même.
Maintenir la progression des circuits intégrés
La généralisation de la DTCO illustre l’évolution de l’industrie des semi-conducteurs face aux limites physiques et économiques de la miniaturisation. En rapprochant les équipes chargées du procédé et celles responsables de la conception des circuits, cette approche vise à maintenir la progression des performances et de l’efficacité énergétique tout en préservant la viabilité industrielle des technologies avancées.
Article édité par Youssef Belgnaoui, rédacteur spécialisé dans le domaine des technologies industrielle.
