Alerte à l’invasion de puces ! Christian Enz Directeur

Les puces envahissent notre quotidien Alerte à l’invasion de puces ! | © C. Enz | 2014

Ces puces ont changé nos vies Source: Ian Yang, Intel Developer Forum - Shenzhen 2014. Alerte à l’invasion de puces ! | © C. Enz | 2014

Les puces à la maison Consumer electronics : 2 - Hi-Fi, TV, computers, Appliance : Appliance 3 - washing machine 4 - dryer 5 - dishwasher 6 - microwave, coffee machine, blenders… House sensors 7 - security 8 - fire alarm 9 - thermostat and AC 10 - stores 11 - lights controls 12 - lumière exterieur et porte de garage Plus pour l’Energie 13 - photovoltaique 14 - management, statistiques de conso Modern appliance 15 - électronique sans-fil partout : borne internet sans-fil, enceintes Wifi, chargeurs sans fils 16 - Avec l’arrivée des puces RFID, ultra-low-cost et low-power Japon : toilettes télécommande, miroir de salle de bain désembueur, allumage du chauffage par téléphone, etc… Alerte à l’invasion de puces ! | © C. Enz | 2014

Les puces en voiture Température Luminosité Pluie Pression Inertie Radar de distance Clé télécommandé Gestion consommation Statistiques moteur Diagnostique … Jusqu’à 200 puces Alerte à l’invasion de puces ! | © C. Enz | 2014

Qu’est-ce qui a rendu cette invasion possible? La réduction des dimensions des composants (transistors) Augmentation du nombre de composants sur une seule puce de silicium Réduction dramatique du coût par composant Augmentation des performances Réduction de la consommation Augmentation de la fonctionnalité Source: Intel Corporation. Alerte à l’invasion de puces ! | © C. Enz | 2014

De quelles dimensions parlent-on? High-K, Metal-Gate Transistor 35 nm SiGe Source: Intel Corporation Cellule Mémoire SRAM à 6 transistors 0.346 µm2 Source: IEDM 2007 Source: Benjamin Cummings Bien plus petit qu’un globule rouge 100’000 fois plus petit! ~3 à 4 mm Virus influenza Source: horiba Alerte à l’invasion de puces ! | © C. Enz | 2014

La loi de Moore Gordon Moore Co-fondateur de Intel 10’000’000 1’000’000 100’000 10’000 1’000 100 10 1 0.1 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Gordon Moore Co-fondateur de Intel Le nombre de transistors sur une puce de silicium (microprocesseurs) double tous les deux ans Source: Intel Corporation. Alerte à l’invasion de puces ! | © C. Enz | 2014

Si les transistors était des personnes… 1970: 2’300 personnes  grande salle de concert 1990: 134’000 personnes  grand stade 2000: 32 million de personnes  population de la ville de Tokyo 2014: 1.3 milliard de personnes  population de la Chine, mais… …concentrée dans une salle de concert!!! Source: Intel Corporation. Alerte à l’invasion de puces ! | © C. Enz | 2014

Réduction des dimensions 100 10 1 0.1 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Taille des motifs minimaux (microns) 40nm 35nm Source: Intel Corporation. Alerte à l’invasion de puces ! | © C. Enz | 2014

Evolution du rapport puissance de calcul / prix http://en.wikipedia.org/wiki/File:PPTMooresLawai.jpg Alerte à l’invasion de puces ! | © C. Enz | 2014

Evolution de l’industrie microélectronique Vitesse : 1950 : 1 000 IPS 2010 : 4 000 000 000 IPS Efficacité énergétique : 1950 : 5 J/instr 2010 : 0,000 000 000 1 J/instr x 4 000 000 x 5 000 000 000 Vitesse : 1900 : 45 km/h 1975 : 170 km/h Efficacité énergétique : 1975 : 15 L/100km 2010 : 5 L/100km x 4 x 3 Vitesse : 1830 : 45 km/h 1930 : 200 km/h 2010 : 570 km/h Chips are already everywhere: domains Improve life quality smart way of doing things, cheaper than dumb Chips are absolutely everywhere PCs, cells phones, tablets, PS3, Xbox, Ipad, dvd players Watches Cars (up to 200) Peacemakers, earing aids, heart frequency Coffee machine, microwave, washing machine Sensors (gaz, Serving society needs : Consuming electronics energy Health Space exploration environment Digital, analog, RF, MEMS, NEMS, MOEMS IC co-integration x 12 Vitesse : 1910 : 100 km/h 1950 : 2 500 km/h 2010 : 3 500 km/h x 35 © C. Enz | 2014

Chaque etape est une révolution technologique MOS Transistor Modeling for Low-voltage and Low-power Circuit Design 2013 Chaque etape est une révolution technologique The picture shows the cross-section of a transistor from the current 65nm technology node Although the length of the device is indeed about 65nm, the effective length of the active device, which is the one that counts for performance, is only 30nm This technology scaling is also illustrated by the famous "Moore's Law" M. Bohr, Intel Corporation, IFD 2012. Alerte à l’invasion de puces ! | © C. Enz | 2014 Micro-power Analog IC Design

La guerre des transistors Bulk MOSFET UTB-SOI Ultrathin Body Silicon-on-Insulator FinFET Illustration: Emily Cooper http://spectrum.ieee.org/semiconductors/devices/transistor-wars Alerte à l’invasion de puces ! | © C. Enz | 2014

Croissance de la taille des wafers… …et du prix des fabriques Sept. 16, 2013 IBM and TowerJazz will partner India’s Jaiprakash Associates to build a $5.5 billion fab near New Delhi. Feb. 18, 2011 Intel Corporation today announced plans to invest more than $5 billion to build a new chip manufacturing facility at its site in Chandler, Ariz. Alerte à l’invasion de puces ! | © C. Enz | 2014

Conclusion Les puces envahissent notre monde! Cette invasion a été possible grâce à la loi de Moore Augmentation phénoménale du nombre de transistor sur une seule puce de silicium Réduction de la taille des transistors jusqu’à quelques dizaines de nanomètres Explosion des investissements pour construire les fabriques de semiconducteur moderne (plusieurs milliard) Où est-ce que cette évolution va s’arrêter? Alerte à l’invasion de puces ! | © C. Enz | 2014

Plus de 10 ans dans les radios basses consommation ULP Integrated Systems Program 2011-2013 May 2012 Plus de 10 ans dans les radios basses consommation 65nm CSEM – Pioneer in low-energy radios ICs and SoCs 2001: 1st gen. WiseNET 433MHz radio in 0.5µm 2005: 2nd gen. WiseNET SoC 433/868 MHz in 180nm 2009: icycom DSP+RF SoC 868/900 MHz in 180nm 2011: 2.4 GHz BT-Smart radio in 90nm 2011: 2.4 GHz MEMS-based radio in 65nm 1st gen. WiseNET Radio 0.5µm (2001) 2nd gen. WiseNET SoC 180nm (2005) WiserBAN 2.4GHz 65nm (2011) ATLAS 2.4 GHz 90nm (2011) icycom SoC 180nm (2009) Copyright CSEM | 9 May, 2012 | CSEM Scientific Board Meeting | C. Enz | C. Enz

WBAN Require ULP Miniaturized Sensor Nodes Presentation at Maxim on August 14th, 2012 2012 WBAN Require ULP Miniaturized Sensor Nodes Wireless body area networks (WBAN) for health monitoring, connecting wearable devices and as smart user interface The nodes feature sensing, processing, storing and wireless communication They are usually battery powered or use remote powering They require ultralow-power (ULP) and miniaturized wireless sensor nodes Combination of CMOS system-on-chip (SoC), RF and LF MEMS in a system-in-package (SiP) to achieve a 2.4 GHz, <mW-level, <20 mm3 node This figure depicts a possible Wireless Body Area Network (WBAN) scenario, where the BAN watch is acting as a central node communicating with other devices on or eventually in the body (implant) and collecting the data. It also operates as a gateway to the wireless personal area network (WPAN), the wireless local area network (WLAN) and wide area network (WAN). The transmission data rate can span from low data rates (LDR, typically in between 10 kb/s and 100 kb/s) for applications such as vital signs monitoring, to medium data rate (MDR, typically about 1 Mb/s) needed for example for wireless implants. The sensor nodes feature sensing, signal conditioning, signal processing, data storage and wireless communication. They are usually battery powered or eventually can also be remote powered depending on the energy requirements. Since they are worn on the body (for example like patch or bandaid) or eventually in the body (implant), they need to be as small as possible and therefore require miniaturization. The limited size and available volume very much constrains the power source and therefore the sensor nodes also need to be ultralow-power in order to achieve a sufficient autonomy. This presentation explores how innovative narrowband radio architectures devised to take advantage and circumvent the limitations of a few well-chosen MEMS devices can address the above concepts and challenges and go beyond existing solutions both in terms of miniaturization and power dissipation reduction. battery powered nodes remote powered nodes Courtesy CSEM EPFL Integrated Circuits Lab (ICLAB) – A Brief Overview | © C. Enz | 2014 Ultralow-power MEMS-based Radio for WBAN

The WiseSkin Project – Concept Provide a natural sense of touch to patients CSEM BERN EPFL Emphasis on development of High-Density Wireless Sensor Network capable of providing the sense of touch to the patient A lot of technical chalenges and innovations Scalable, adaptable WSN, stretchable power distribution system, flexibile anetnna, miniature, soft MEMS sensor, sensor interfaces, real-time response, latency etc. EPFL Integrated Circuits Lab (ICLAB) – A Brief Overview | © C. Enz | 2014

Merci pour votre attention ! Ultra-low Power 2.4 GHz MEMS-based Radio (RFIC 2012) Alerte à l’invasion de puces ! | © C. Enz | 2014

P. Ruch, et al. , IBM J. Res. & Dev. , Vol. 55, No. 5, Paper 15, Sept P. Ruch, et al., IBM J. Res. & Dev., Vol. 55, No. 5, Paper 15, Sept.-Oct. 2011. Alerte à l’invasion de puces ! | © C. Enz | 2014