Réseaux de caméras ultrarapides par assemblage nanotechnologique. – FALCON

Le système final est composé de 3 couches de circuits qui intègrent les trois principales sous parties microélectroniques. La première contenant les pixels rapides, la deuxième contient un convertisseur analogique vers numérique, et la troisième partie contient une mémoire numérique à haute densité. C’est l’approche massivement parallèle rendue possible par l’assemblage 3D qui rend atteignables les performances visées. Le démonstrateur 3D est trop onéreux pour pouvoir être réalisé dans le cadre du projet, c’est donc un démonstrateur monolithique/hybride de petite taille qui est conçu en permettant de valider chaque sous-partie tout en incluant les contraintes spatiales liées à la conception 3D. Un modèle logiciel du capteur basé sur les mesures expérimentales du démonstrateur permettra de valider la faisabilité du capteur 3D final et d’en prédire son comportement.

Les travaux en sont pour le moment encore dans la phase de conception et de validation par simulation. Les travaux menés jusqu’ici indiquent que le démonstrateur devrait respecter les spécifications initiales. En effet, les simulations montrent que les parties pixel, ADC, mémoire et pilotage devraient atteindre les performances visées tout en étant compatible avec l’évolution en architecture 3D du dispositif. De plus, une simulation électrothermique du dispositif réalisée à l'aide d'un simulateur développé au sein du consortium, a permis de valider la faisabilité des différents scénarios d'acquisition.

Le circuit est envoyé en fonderie au mois de septembre 2016. La phase de test et de caractérisation suivra. Le démonstrateur sera probablement installé et testé par le groupe XFEL pour l'observation de flash de rayon X.

Quelques concepts originaux de pilotage des circuits imageurs rapides ont déjà été publiés en simulations dans des conférences internationales et une revue.
ACLI-1 O. Maciu, W. Uhring, J-P. Le Normand, J-B. Kammerer, F. Dadouche, Edge-based technique for ultra-fast gating of large array imagers, SENSORCOMM 2015, Venise, Italy, pp 24-28, IARIA (Eds.), août 2015. ISBN: 978-1-61208-425-1; Selected Paper to IFSA publication
ACLI-2. O. Maciu, W. Uhring, J-B. Kammerer, J-P. Le Normand, N. Dumas, F. Dadouche, Sub-Nanosecond Gated Photon Counting for High Spatial Resolution CMOS Imagers, IEEE NEWCAS 2016, Vancouver, Canada.
RI-1 O. Maciu, W. Uhring, J-P. Le Normand, J-B. Kammerer, F. Dadouche, N. Dumas, Sub-nanosecond Gating of Large CMOS Imagers, Sensors & Transducers Journal, IFSA Publishing ( SJR : 0.114 ), pages 41-49, Vol. 193, n° 10, oct. 2015
Les autres concepts originaux au sein du pixel, notamment les méthodes de binning, les optimisations de consommation et d’architecture pour la rapidité seront validées expérimentalement, puis brevetées/publiées.
Le projet FALCON a été présenté à plusieurs reprises aux conférences invités suivantes:

-W. Uhring, Keynote: High Speed Video Sensors, SIGNAL 2016, Lisbonne, Portugal, IARIA (Eds.), 2016.
-W. Uhring, Moderator of the Panel on «Topic: Challenges in High Speed Image Processing«, IARIA SIGNAL 2016, Lisbonne, France, juin 2016.
-W. Uhring, High Speed Image Sensors, Image Sensor 2016, London, United Kingdom, Smithers Apex (Eds.), mars 2016
-W. Uhring, Keynote: High Speed Imaging, SENSORCOMM 2015, Venice, Italy, août 2015
-W. Uhring, Smart and Ultrafast CMOS Image Sensors - The Dream Come True with 3D Heterogeneous Microelectronic, Heterogeneous Architectures and Design Methods for Embedded Image Systems (HIS 2015), Grenoble, France, co-located with Conference on Design, Automation and Test in Europe, mars 2015. Invited Talk; arxiv.org/html/1502.07241v2

La vidéo rapide est une activité en plein essor tout en étant un terrain d’application idéal des imageurs à technologie CMOS. Elle trouve des applications dans l’analyse des mouvements, la balistique, les explosions, la biomécanique, les crashs test, la dynamique des fluides, les chocs et les vibrations etc. La vidéo rapide conventionnelle est actuellement pilotée par l’industriel avec des sociétés comme Photron, Redlake ou Drs Hadland qui produisent leurs propres capteurs. La meilleure caméra du marché offre 22000 images par seconde (ips) pour une résolution spatiale de 1280x800 pixels, c’est-à-dire un taux d’échantillonnage de 22 Giga pixel/s. Cette vitesse n’est pas restreinte par l’électronique du pixel, mais par celle des entrées sortie qui permettent d’extraire l’image du capteur. L’objectif du projet FALCON est de franchir cette barrière technologique en repoussant la vitesse d’acquisition de 3 ordres de grandeurs en proposant un capteur capable de prendre jusqu’à 100 millions d’ips en montant le taux d’échantillonnage à 10 Petabits/s. Pour y parvenir, l’approche classique d’extraction des images en continu doit être abandonnée pour s’affranchir du goulet d’étranglement des entrées/sorties au profit de l’approche de capteur d’image par rafale (BIS pour Burst Image Sensor). Puisqu’il n’est pas possible de sortir les images au fur et à mesure qu’elles sont prises, il suffit de les laisser sur le capteur. Ainsi, l’ensemble des BIS précédemment réalisés intègrent une mémoire analogique embarquée sur un capteur monolithique. Le pitch du pixel est généralement de l’ordre de 50 µm, la vitesse d’acquisition d’environ 10 Mega ips et la profondeur mémoire, c’est-à-dire le nombre d’images stockées, tourne aux alentours d’une centaine. Ce dernier nombre, principalement limité par l’espace occupé par la mémoire en relation avec le pitch du pixel, est bien insuffisant dans bon nombre d’applications et spécifiquement celles ou la durée de l’événement à mesurer est longue ou bien ou la synchronisation de l’événement et le déclenchement de la caméra est incertain. Cela peut conduire à une expérience manquée. Par ailleurs, les travaux n’évoquent que très peu le rapport signal à bruit (SNR) mais sa valeur diminue lorsque le temps de lecture augmente, c’est-à-dire lorsque le nombre d’images à lire grandit, car les courants de fuites dégradent l’information stockée dans une capacité. Cette contrainte joue également en défaveur d’une grande profondeur de mémoire et en pratique, le SNR ne dépasse pas les 45 dB.
Le dispositif proposé dans le cadre du projet FALCON repose sur un concept en totale rupture avec les précédents BIS en mettant en œuvre les possibilités offertes par les technologies microélectroniques 3D émergentes. Une thèse démarrée en 2012 en collaboration entre ICube et le L3i du CEA Leti a permis de déterminer une nouvelle architecture qui tire parti de la structure 3D de manière optimale. Une approche numérique audacieuse permet d’augmenter les performances de ce type de capteur, et également d’y apporter de nouvelles fonctionnalités. La particularité de l’architecture réside dans son mode d’acquisition avec conversion analogique vers numérique a haute cadence et stockage des images sous format numérique qui améliore à la fois la qualité du signal et qui augmente d’un ordre de grandeur la profondeur mémoire. L’objectif final étant d’obtenir une caméra haute définition (1200x1200), fonctionnant à 10 Mega ips avec une mémoire de plus de 1000 images. Ce projet repousse les performances de chacun des sous éléments du système à l’état de l’art afin de proposer un capteur unique. Une méthodologie originale de conception conjointe architecture/partitionnement et électrothermique est également au cœur du projet. En effet, de nouvelles méthodes et de nouveaux outils sont nécessaires pour mener à bien la conception de tels systèmes intégrés hétérogènes.