Objectifs par rapport aux acquis d'apprentissage du programme

• Imaginer, mettre en oeuvre et exploiter des systèmes / solutions / logiciels pour faire face à un problème complexe dans le domaine de l'électricité en intégrant les besoins, contextes et enjeux (techniques, économiques, sociétaux, éthiques et environnementaux).
• Sur base de modélisations et d'expérimentations, concevoir un ou plusieurs systèmes / une ou plusieurs solutions / une ou plusieurs implémentations logicielles et/ou matérielles répondant au problème posé ; les évaluer compte tenu des différents paramètres du cahier des charges.
• Mettre en oeuvre un système / une solution / un logiciel / un circuit choisi sous la forme d'un schéma, d'un organigramme, d'un algorithme, d'un plan, d'une maquette, d'un prototype, d'un programme, d'un software et/ou d'un modèle numérique.
• Evaluer la démarche et les résultats en vue de leur adaptation (tests, mesures, optimisation, qualité...).
• Mobiliser un ensemble structuré de connaissances et compétences scientifiques et techniques spécialisées permettant de répondre, avec expertise et adaptabilité, aux missions de l'ingénieur civil en Electricité.
• Maîtriser et mobiliser de façon pertinente des connaissances, des modèles, des méthodes et des techniques relatifs aux bases de l'électricité, de l'électronique, de l'automatique, de l'analyse et du traitement des signaux, des télécommunications ; à l'ingénierie des réseaux électriques modernes (production, transport, distribution) ; aux véhicules électriques ; aux systèmes électroniques avancés ; aux télécommunications filaires et non filaires ; aux capteurs intelligents ; aux interfaces homme-machines ; à la modélisation mathématique et l'analyse des systèmes dynamiques ; à la commande des procédés ; aux traitements d'image et du son ainsi que, plus spécifiquement, le traitement des signaux biomédicaux.
• Analyser et modéliser un problème en sélectionnant de manière critique des théories et des approches méthodologiques (modélisation, calculs), y compris en tenant compte des aspects pluridisciplinaires.
• Identifier et étudier les applications possibles des technologies nouvelles et émergentes dans le domaine de l'électricité
• Communiquer et échanger des informations de manière structurée - oralement, graphiquement et par écrit, en français et dans une ou plusieurs autres langues - sur les plans scientifique, culturel, technique et interpersonnel en s'adaptant au but poursuivi et au public concerné.
• Apprendre à utiliser un cahier de laboratoire pour consigner les résultats d'expériences et ainsi initier une approche protection des résultats intellectuels.
• Maîtriser la langue anglaise technique dans le domaine de l'électricité.
• Contribuer par un travail de recherche à la solution innovante d'une problématique en sciences de l'ingénieur.
• Récolter et analyser des données avec rigueur.

Acquis d'apprentissage de l'UE

Acquis d'apprentissage de l'UE: a l'issue de cette unité d'enseignement, les étudiants seront capables de :
Maîtriser les principes fondamentaux des circuits numériques CMOS et appliquer les techniques enseignées pour concevoir, simuler et optimiser des circuits intégrés. Ils développeront des compétences pratiques en utilisant les outils industriels de CAO (Cadence, Synopsys) pour la conception ASIC, ainsi que les environnements de développement FPGA (Altera/Xilinx).

Plus spécifiquement, ils sauront :
- Concevoir et implémenter des architectures numériques complexes en VHDL au niveau RTL
- Valider par simulation des systèmes implémentés sur FPGA et VLSI
- Mesurer, analiser et optimiser les performances des circuits CMOS
- Utiliser de manière professionnelle l'ensemble de la chaîne d'outils de conception numérique

Cette UE permet d'acquérir à la fois les bases théoriques et les compétences pratiques indispensables pour la conception de systèmes numériques modernes.
 

Contenu de l'UE : descriptif et cohérence pédagogique

Contenu de l'UE : Descriptif et Cohérence Pédagogique
Ce cours fondamental, basé sur l'ouvrage de Rabaey et Weste et enrichi des dernières avancées CMOS, offre une formation complète en conception numérique moderne. Il couvre toute la chaîne de conception, des circuits ASIC aux implémentations FPGA, en utilisant les outils industriels actuels (Cadence, Synopsys, Xilinx, Intel).
Cette approche unique allie théorie rigoureuse et pratique industrielle pour former aux compétences clés du domaine, tout en développant une vision critique des solutions technologiques contemporaines.

Cohérence pédagogique
Ce parcours pédagogique intègre harmonieusement théorie et pratique : les fondamentaux des circuits numériques servent de socle aux TP ASIC (conception CMOS, portes logiques, mémoires), tandis que les exercices FPGA permettent de maîtriser des architectures complexes. Cette approche progressive garantit l'acquisition simultanée des concepts clés et des compétences concrètes.

Contenu théorique
Le cours aborde en profondeur la conception CMOS moderne, depuis les architectures de base (statiques, dynamiques, différentielles) jusqu'aux systèmes complexes. Les techniques de conception des circuits combinatoires (portes logiques, multiplexeurs) et séquentiels (bascules, registres) y sont étudiés, de même que les blocs fonctionnels avancés tels que les unités arithmétiques et les mémoires. Une attention particulière est portée sur les avantages et inconvénients des différentes solutions, ainsi que sur les techniques d'optimisation des circuits et les méthodologies de conception VLSI.

• ASIC, FPGA, et composants standards.
• Techniques et étapes de conception.
• Modélisation du transistor MOS.
• Construction de portes logiques, CMOS et de transmission.
• Marges de bruit et relations de taille des transistors.
• Estimation des délais, Fan-in et Fan-out.
• Dimensionnement optimal, floor-planning et lay-out.
• Structures régulières, mémoires, additionneurs et multiplicateurs.
• Chemins de données et de contrôle, alimentations.
• Distribution du signal d'horloge, circuits synchrones.
• Latch et Flip-Flop, décalage d'horloge (Skew et Jitter).
• Logique dynamique (Domino et Nora).
• Synthèse logique.

Travaux pratiques
Les séances en laboratoire suivent le flux complet de conception ASIC, de la spécification RTL au layout physique, en passant par l'analyse du comportement, la mesure des paramètres et l'optimisation des portes logiques CMOS. Les étudiants utilisent les outils EDA (Electronic Design Automation) Synopsys pour la synthèse RTL et Cadence pour le schema electrique, placement-routage et conception layout, travaillant sur des projets concrets allant des cellules élémentaires aux systèmes numériques complexes.

Exercices appliqués
Durant ces séances pratiques, les étudiants mettent en œuvre des systèmes numériques complets sur une plateforme reconfigurable FPGA Intel/Altera à l'aide des outils Quartus et du langage VHDL. Ils conçoivent et implémentent des architectures complexes au niveau RTL (Register Transfer Level) incluant des interfaces périphériques avec leurs protocoles dédiés, des machines à états finis (FSM), des contrôleurs et divers blocs fondamentaux (compteurs, timers, protocoles de communication, tampons, etc.). Ils acquièrent ainsi une maîtrise concrète des méthodologies industrielles de conception reconfigurable.

Thématiques clés
Le programme aborde les aspects fondamentaux de la technologie CMOS et des FPGA, les techniques de modélisation et d'optimisation des circuits, ainsi que les architectures avancées. L'accent est mis sur la maîtrise des outils industriels pour la conception ASIC (avec Cadence et Synopsys) et le développement FPGA (avec les outils Altera), ainsi que sur la conception de schémas électriques FSM et RTL et la validation des circuits par simulation.

• Réalisation de circuits numériques complexes en technologie CMOS avec CAO Cadence et Synopsis.
• Réalisation de circuits numériques complexes en technologie reconfigurable FPGA avec CAO Altera.

Cette approche pédagogique équilibrée, alliant rigueur théorique et pratique intensive, permet de préparer efficacement les étudiants aux défis de la conception numérique moderne, tout en développant leur autonomie et leur capacité à utiliser les outils professionnels.
 

Compétences préalables

Electronique fonctionnelle, Programmation, informatique, Systèmes Logiques.   
Celles-ci incluent une compréhension de l'électronique fonctionnelle, de la programmation informatique et des systèmes logiques. Ces compétences préalables sont essentielles pour une participation efficace et une compréhension approfondie des concepts abordés dans ce cours.