Úvod do aplikačne špecifického integrovaného obvodu (ASIC)

Vyskúšajte Náš Nástroj Na Odstránenie Problémov





V každodennom živote sa stretávame s rôznymi druhmi elektronických prístrojov. Jednou z technológií, ktorá priniesla revolúciu vo výrobe elektroniky, je „ Integrovaný obvod „. Táto technológia zmenšila veľkosť elektronických výrobkov zvýšením hustoty logické brány na čip. Dnes máme rôzne typy a konfigurácie integrovaných obvodov. Ako pozorujeme okolo, zistíme, že niektoré integrované obvody sa dajú použiť iba pre jednu konkrétnu aplikáciu, zatiaľ čo niektoré integrované obvody sa dajú preprogramovať a použiť pre rôzne aplikácie. Tieto typy integrovaných obvodov sú pomenované ako ASIC. Ako sa však líšia? Ako je možné ich preprogramovať? Prečo niektoré integrované obvody nemožno preprogramovať? Skúste nájsť odpovede na tieto otázky.

Čo je ASIC (Application Specific Integrated Circuit)?

Celá forma ASIC je Integrovaný obvod špecifický pre aplikáciu. Tieto obvody sú špecifické pre konkrétnu aplikáciu, t. J. IC na mieru pre konkrétnu aplikáciu. Zvyčajne sú navrhnuté od koreňovej úrovne na základe požiadaviek konkrétnej aplikácie. Niektoré zo základných príklady integrovaných obvodov špecifické pre konkrétnu aplikáciu sú čipy používané v hračkách, čip používaný na prepojenie pamäte a mikroprocesora atď. Tieto čipy je možné použiť iba pre jednu aplikáciu, pre ktorú sú určené. Pravdepodobne tieto typy integrovaných obvodov sú uprednostňované iba pre tie výrobky, ktoré majú veľkú výrobnú sériu. Pretože ASIC sú navrhnuté od koreňovej úrovne, majú vysoké náklady a odporúčajú sa iba pre veľké objemy produkcie.




Hlavnou výhodou ASIC je zmenšená veľkosť čipu, pretože veľké množstvo funkčných jednotiek obvodu je konštruovaných na jednom čipe. Moderný ASIC všeobecne obsahuje 32-bit mikroprocesor , pamäťové bloky, sieťové obvody atď ... Takýto typ ASIC je známy ako Systém na čipe . S rozvojom výrobnej technológie a zvýšeným výskumom metód navrhovania sa vyvíjajú ASIC s rôznymi úrovňami prispôsobenia.

Typy ASIC

ASIC sa kategorizujú na základe rozsahu prispôsobenia, ktoré má programátor na čipu povolené.



Typy ASIC

Typy ASIC

Úplne vlastné

V tomto type dizajnu sú všetky logické bunky šité na mieru pre konkrétnu aplikáciu. T.j. dizajnér musí špeciálne pripraviť logické bunky pre obvody. Všetky vrstvy masky na vzájomné prepojenie sú prispôsobené. Programátor teda nemôže meniť vzájomné prepojenia čipu a pri programovaní musí poznať rozloženie obvodu.

Jedným z najlepších príkladov Full custom ASIC je mikroprocesor. Tento typ prispôsobenia umožňuje návrhárom postaviť rôzne analógové obvody, optimalizované pamäťové bunky alebo mechanické štruktúry na jednom integrovanom obvode. Výroba a návrh tohto ASIC je nákladná a časovo veľmi náročná. Čas potrebný na navrhnutie týchto integrovaných obvodov je asi osem týždňov.


Spravidla sú určené pre aplikácie na vysokej úrovni. Maximálny výkon, minimalizovaná plocha a najvyšší stupeň flexibility sú hlavnými vlastnosťami plne prispôsobeného dizajnu. Riziko je nakoniec veľké, pretože použité logické články, rezistory atď.… Obvodové prvky nie sú vopred testované.

Semi-custom

V tomto type návrhu sú logické bunky prevzaté zo štandardných knižníc, t.j. nie sú vyrobené ručne ako v dizajne Full custom. Niektoré masky sú prispôsobené, zatiaľ čo iné sú prevzaté z vopred navrhnutej knižnice. Na základe typu logických buniek prevzatých z knižnice a rozsahu prispôsobenia povoleného pre vzájomné prepojenie sú tieto ASIC rozdelené na dva typy - štandardné ASIC založené na bunkách a ASIC založené na Gate Array.

1). Štandardný bunkový ASIC

Aby sme tieto IC najskôr spoznali, pochopme, čo znamená štandardná bunková knižnica. Niektoré z logických buniek ako napr A brány, ALEBO brány , multiplexory, plážové šľapky sú vopred navrhnuté dizajnérmi používajúcimi rôzne konfigurácie, štandardizované a uložené vo forme knižnice. Táto zbierka je známa ako štandardná bunková knižnica.

Štandardný bunkový ASIC

Štandardný bunkový ASIC

V štandardných bunkových bunkách sa používajú logické bunky ASIC z týchto štandardných knižníc. Na čipu ASIC je štandardná bunková oblasť alebo pružný blok tvorená štandardnými bunkami usporiadanými vo forme riadkov. Spolu s týmito flexibilnými blokmi sa na čipu používajú megobunky, ako sú mikrokontroléry alebo dokonca mikroprocesory. Tieto mega bunky sú tiež známe ako Mega funkcie, makra na systémovej úrovni, pevné bloky, funkčné štandardné bloky.

Vyššie uvedený obrázok predstavuje štandardnú bunkovú ASIC s jednou štandardnou bunkovou oblasťou a štyrmi pevnými blokmi. Vrstvy masiek sú prispôsobené. Tu môže dizajnér umiestniť štandardné bunky kdekoľvek na matrici. Sú tiež známe ako C-BIC.

2). Gate Array Based ASIC

Tento typ polozvyklých ASIC je preddefinovaných tranzistory na kremíkovej doštičke .t.j. projektant nemôže zmeniť umiestnenie tranzistorov prítomných na matrici. Základné pole je preddefinovaný vzor hradlového poľa a základná bunka je najmenšia opakujúca sa bunka základného poľa.

Projektant je zodpovedný iba za zmenu vzájomného prepojenia medzi tranzistormi pomocou prvých niekoľkých kovových vrstiev matrice. Návrhár si vyberie z knižnice hradlového poľa. Často sa nazývajú Masked Gate Array. Gate Array Based ASIC sú troch typov. Sú to Channeled Gate Array, Channel less gate array a štruktúrované hradlové pole.

a). Pole Channeled Gate

V tomto type hradlového poľa je priestor medzi vodičmi ponechaný medzi radmi tranzistorov. Sú podobné CBIC, pretože na prepojenie medzi blokmi zostáva priestor, ale v bunkových radoch smerovaných hradlových polí sú výšky fixné, zatiaľ čo v CBIC je možné tento priestor upraviť.

Channeled Gate Array

Channeled Gate Array

Niektoré z hlavných vlastností tohto hradlového poľa sú - toto hradlové pole používa na vzájomné prepojenie preddefinované medzery medzi riadkami. Výrobný čas je dva dni až dva týždne.

b). Channel Less Gate Array

Ako je vidieť v poli smerovanej brány, na smerovanie medzi radmi buniek nezostáva žiadne voľné miesto. Tu sa smerovanie vykonáva zhora nad bunkami poľa brány, pretože môžeme prispôsobiť spojenie medzi kovom 1 a tranzistormi. Pre smerovanie necháme tranzistory ležiace v ceste smerovania nepoužívané. Doba výroby je asi dva týždne.

Channel Less Gate Array

Channel Less Gate Array

c). Štruktúrované pole brány

Tento typ hradlového poľa má vložený blok spolu s riadkami hradlového poľa, ako je vidieť vyššie. Pole štruktúrovaných brán má vyššiu plošnú účinnosť CBIC. Rovnako ako pole maskovaných brán majú nižšie náklady a rýchlejšie obrátky. Tu pevná veľkosť zabudovanej funkcie predstavuje obmedzenie pre štruktúrované pole brány. Napríklad toto pole brány obsahuje oblasť vyhradenú pre 32-bitový radič, ale ak v aplikácii vyžadujeme iba oblasť pre 16-bitový radič, zostávajúca oblasť bude zbytočná. Všetky hradlové polia majú dobu obratu dva dni až dva týždne a všetky majú prispôsobené prepojenie.

Štruktúrované pole brány

Štruktúrované pole brány

Programovateľný ASIC

Existujú dva typy programovateľných ASIC. Sú to PLD a FPGA

PLD (programovateľné logické zariadenia)

Toto sú štandardné bunky, ktoré sú ľahko dostupné. Môžeme naprogramovať PLD na prispôsobenú časť aplikácie, takže sa považujú za ASIC. Na programovanie PLD môžeme použiť rôzne metódy a softvér. Tieto obsahujú bežnú maticu logických buniek, zvyčajne programovateľnú logiku poľa, spolu s klopnými obvodmi alebo západkami. Tu sú vzájomné prepojenia prítomné ako jeden veľký blok.
PROM je bežným príkladom tohto IC. EPROM používa ako prepojovacie tranzistory MOS, takže pomocou vysokého napätia ho môžeme naprogramovať. PLD nemajú prispôsobené logické bunky ani sa neprepojujú. Tieto majú rýchly obrat v dizajne.

Programovateľné logické zariadenia

Programovateľné logické zariadenia

FPGA (programovateľné hradlové pole)

Kde PLD majú programovateľnú logiku poľa ako logické bunky FPGA má usporiadanie podobné bráne. PLD sú menšie a menej zložité ako FPGA. Kvôli svojej flexibilite a vlastnostiam sa nahradzuje FPGA TTL v mikroelektronických systémoch. Návrhový obrat je len pár hodín.

Polia programovateľné hradlom

Polia programovateľné hradlom

Jadro tvoria programovateľné základné logické bunky, ktoré môžu vykonávať oboje kombinačné a sekvenčná logika . Môžeme programovať logické bunky a vzájomne sa prepájať pomocou niektorých metód. Základné logické bunky sú obklopené maticou programovateľných prepojení a jadro je obklopené programovateľnými I / O bunkami.

FPGA zvyčajne pozostáva z konfigurovateľných logických blokov, konfigurovateľných I / O blokov, programovateľných prepojení, hodinových obvodov, ALU, pamäte, dekodérov.

Videli sme rôzne dostupné typy ASIC. Teraz si uvedomme, keď sa všetky tieto prispôsobenia a vzájomné prepojenia vykonávajú počas výroby.

Návrhový tok integrovaného obvodu špecifického pre aplikáciu (ASIC)

Návrh ASIC sa vykonáva krok za krokom. Toto poradie krokov je známe ako Návrh ASIC Prietok. Kroky návrhového toku sú uvedené v nasledujúcom vývojovom diagrame.

Tok návrhu ASIC

Tok návrhu ASIC

Dizajn: V tomto kroku sa mikroarchitektúra dizajnu implementuje pomocou jazykov popisu hardvéru, ako sú VHDL, Verilog a System Verilog.
Logická syntéza: V tomto kroku je pomocou HDL pripravený netlist logických buniek, ktoré sa majú použiť, typy prepojení a všetky ďalšie časti potrebné pre aplikáciu.
Rozdelenie systému: V tomto kroku rozdelíme matricu veľkej veľkosti na kúsky veľkosti ASIC.
Simulácia pred rozložením: V tomto kroku sa vykoná simulačný test na kontrolu, či návrh obsahuje nejaké chyby.
Pôdorys: V tomto kroku sú bloky netlistu usporiadané na čipe.
Umiestnenie: V tomto kroku sa rozhodne o umiestnení buniek vo vnútri bloku.
Smerovanie: V tomto kroku sú nakreslené spojenia medzi blokmi a bunkami. Extrakcia: V tomto kroku určíme elektrické vlastnosti, ako je hodnota odporu a hodnota kapacity prepojenia.
Simulácia po rozložení: Pred predložením modelu na výrobu sa táto simulácia vykoná s cieľom skontrolovať, či systém funguje správne a spolu so záťažou prepojenia.

Príklady ASIC

Po oboznámení sa s rôznymi charakteristikami ASIC si teraz ukážeme niekoľko príkladov ASIC.
Štandardný bunkový ASIC: LCB 300k, 500k od LSI Logic Company, SIG1, 2, 3 rodiny od ABB Hafo Inc., GCS90K od GCS Plessey.
Produkty Gate Array: AUA20K od spoločnosti Harris Semiconductor, SCX6Bxx od spoločnosti National Semiconductors, rodiny TGC / TEC od spoločnosti Texas Instruments.
Produkty PLD: Rodina PAL pokrokových mikro zariadení, rodina GAL od spoločnosti Philips Semiconductors, XC7300 a EPLD od spoločnosti XILINX.
Produkty FPGA: Série XC2000, XC3000, XC4000, XC5000 od spoločnosti XILINX, pASIC1 od spoločnosti QuickLogic, MAX5000 od spoločnosti Altera.

Aplikácie ASIC

Jedinečnosť ASIC spôsobila revolúciu v spôsobe výroby elektroniky. Tieto zmenšili veľkosť matríc a zvýšili hustotu logické brány na čip. Pre aplikácie na vysokej úrovni sa zvyčajne uprednostňujú ASIC. Čip ASIC sa používa ako IP jadrá pre satelity, výrobu ROM, Mikrokontrolér a rôzne typy aplikácií v lekárskom a výskumnom sektore. Jednou z trendových aplikácií ASIC je BITCOIN MINER.

Bitcoin Miner

Ťažba kryptomeny si vyžaduje väčší výkon a vysokorýchlostný hardvér. CPU na všeobecné účely nemôže poskytnúť takú vyššiu výpočtovú kapacitu pri vysokej rýchlosti. Ťažiari bitov ASIC sú čipy zabudované do špeciálne navrhnutých základných dosiek a napájacie zdroje , skonštruované do jedného celku. Jedná sa o účelovo navrhnutý hardvér až po úroveň čipov na ťažbu bitcoinov. Tieto jednotky môžu vykonávať algoritmus iba jednej kryptomeny. Pre iný typ kryptomeny pravdepodobne požadujeme iného baníka.

Výhody a nevýhody ASIC

The výhody ASIC zahrňte nasledujúce.

    • Malá veľkosť ASIC z neho robí vynikajúcu voľbu pre sofistikované väčšie systémy.
    • Pretože veľké množstvo obvodov postavených na jednom čipe, spôsobuje to vysokorýchlostné aplikácie.
    • ASIC má nízku spotrebu energie.
    • Pretože sú to systémy na čipe, obvody sú prítomné vedľa seba. Na pripojenie rôznych obvodov je teda potrebné veľmi minimálne smerovanie.
    • ASIC nemá problémy s časovaním a postprodukčnú konfiguráciu.

The nevýhody ASIC zahrňte nasledujúce.

    • Pretože sa jedná o prispôsobené čipy, poskytujú nízku flexibilitu pri programovaní.
    • Pretože tieto čipy musia byť navrhnuté od koreňovej úrovne, majú vysoké náklady na jednotku.
    • ASIC majú väčší čas na maržu na trhu.

ASIC vs FPGA

Rozdiel medzi ASIC a FPGA zahŕňa nasledujúce.

ASIC

FPGA

Nie je možné preprogramovať

Preprogramovateľné

Uprednostňované pri veľkovýrobách

Uprednostňované pre nízkoobjemové produkcie
Ide o konkrétne aplikácie

Používa sa ako prototypy systému

Energeticky efektívne vyžaduje menej energie

Menej energeticky efektívne vyžaduje viac energie

Jedná sa o trvalé obvody, ktoré sa z času na čas nedajú inovovať.Veľmi vhodné pre aplikácie, kde je potrebné občas vylepšiť obvod, ako sú čipy mobilných telefónov, základňové stanice atď

Toto je teda všetko o prehľade Integrovaný obvod špecifický pre aplikáciu . Vynález ASIC spôsobil obrovskú zmenu v spôsobe používania elektroniky. ASIC používame v každodennom živote vo forme rôznych aplikácií. S ktorými aplikáciami ASIC ste sa stretli? S akým typom ASIC ste pracovali?