Introducere în circuitul integrat specific aplicației (ASIC)

Încercați Instrumentul Nostru Pentru Eliminarea Problemelor





În viața noastră de zi cu zi, întâlnim diverse tipuri de gadgeturi electronice. Una dintre tehnologiile care au adus o revoluție în producția de electronice este „ Circuit integrat „. Această tehnologie a redus dimensiunea produselor electronice prin creșterea densității de porți logice pe cip. Astăzi avem diferite tipuri și configurații de IC-uri. După cum observăm în jur, descoperim că unele IC-uri pot fi utilizate numai pentru o aplicație specifică, în timp ce unele IC-uri pot fi reprogramate și utilizate pentru diverse aplicații. Aceste tipuri de circuite integrate sunt denumite ASIC. Dar în ce se deosebesc? Cum este posibil să le reprogramăm? De ce unele IC-uri nu pot fi reprogramate? Continuați să găsiți răspunsuri la aceste întrebări.

Ce este un ASIC (Circuit integrat specific aplicației)?

Forma completă ASIC este Circuit integrat specific aplicației. Aceste circuite sunt specifice aplicației. IC-uri personalizate pentru o anumită aplicație. Acestea sunt de obicei proiectate de la nivelul rădăcină pe baza cerințelor aplicației specifice. Unele dintre elementele de bază exemple de circuite integrate specifice aplicației sunt cipuri utilizate în jucării, cipul utilizat pentru interfața memoriei și microprocesorului etc. Aceste cipuri pot fi utilizate numai pentru acea aplicație pentru care acestea sunt proiectate. Probabil, acestea tipuri de circuite integrate sunt preferate numai pentru acele produse care au o producție mare. Deoarece ASIC-urile sunt proiectate de la nivelul rădăcinii, acestea au un cost ridicat și sunt recomandate numai pentru producțiile cu volum mare.




Principalul avantaj al ASIC este dimensiunea redusă a cipului, deoarece un număr mare de unități funcționale ale unui circuit sunt construite pe un singur cip. ASIC modern include, în general, un 32-bit microprocesor , blocuri de memorie, circuite de rețea etc ... Un astfel de tip de ASIC este cunoscut sub numele de Sistem pe cip . Odată cu dezvoltarea tehnologiei de fabricație și cercetarea sporită în metodele de proiectare, sunt dezvoltate ASIC-uri cu diferite niveluri de personalizare.

Tipuri de ASIC

ASIC-urile sunt clasificate pe baza cantității de personalizare pe care un programator este permis să o facă pe un cip.



Tipuri de ASIC

Tipuri de ASIC

Personalizat complet

În acest tip de proiectare, toate celulele logice sunt adaptate pentru aplicații specifice. proiectantul trebuie să realizeze special celulele logice pentru circuite. Toate straturile de mască pentru interconectare sunt personalizate. Deci, programatorul nu poate schimba interconectările cipului și, în timp ce programează, trebuie să fie conștient de aspectul circuitului.

Unul dintre cele mai bune exemple de ASIC personalizat complet este un microprocesor. Acest tip de personalizare permite proiectanților să construiască diverse circuite analogice, celule de memorie optimizate sau structuri mecanice pe un singur IC. Acest ASIC este costisitor și consumă mult timp pentru fabricare și proiectare. Timpul necesar pentru proiectarea acestor circuite integrate este de aproximativ opt săptămâni.


Acestea sunt de obicei destinate aplicațiilor de nivel înalt. Performanța maximă, suprafața minimizată și cel mai înalt grad de flexibilitate sunt caracteristici majore ale designului complet personalizat. În cele din urmă, riscul este ridicat în proiectare, deoarece celulele logice, rezistența etc ... elementele circuitului utilizate nu sunt pretestate.

Semi-personalizat

În acest tip de logică de proiectare, celulele sunt preluate din bibliotecile standard. nu sunt realizate manual ca în designul personalizat complet. Unele măști sunt personalizate, în timp ce altele sunt preluate din biblioteca predesenată. Pe baza tipului de celule logice preluate din bibliotecă și a cantității de personalizare permise pentru interconectări, aceste ASIC sunt împărțite în două tipuri - ASIC bazate pe celule standard și ASIC bazate pe Gate Array.

1). ASIC standard pe bază de celule

Pentru a cunoaște aceste IC mai întâi să ne înțelegem ce înseamnă o bibliotecă de celule standard. Unele dintre celulele logice, cum ar fi ȘI porți, SAU porți , multiplexoare, papuci flip-flop sunt pre-proiectate de designeri folosind diferite configurații, standardizate și stocate sub forma unei biblioteci. Această colecție este cunoscută sub numele de bibliotecă de celule standard.

ASIC bazat pe celule standard

ASIC standard pe bază de celule

În celule standard bazate pe celule, sunt utilizate celule logice ASIC din aceste biblioteci standard. Pe cipul ASIC zona celulei standard sau blocul flexibil sunt alcătuite din celule standard dispuse sub formă de rânduri. Împreună cu aceste blocuri flexibile, mega-celule precum microcontrolerele sau chiar microprocesoarele sunt utilizate pe cip. Aceste mega celule sunt, de asemenea, cunoscute sub numele de funcții Mega, macro-uri la nivel de sistem, blocuri fixe, blocuri standard funcționale.

Figura de mai sus reprezintă o celulă ASIC standard cu o singură zonă de celulă standard și patru blocuri fixe. Straturile de mască sunt personalizate. Aici proiectantul poate amplasa celule standard oriunde pe matriță. Acestea sunt, de asemenea, cunoscute sub numele de C-BIC.

2). Gate Array Bazat pe ASIC

Acest tip de ASIC semi-personalizate au fost predefinite tranzistoare pe napolitana de siliciu .i.e. proiectantul nu poate schimba amplasarea tranzistoarelor prezente pe matriță. Tabloul de bază este modelul predefinit al tabloului de poartă, iar celula de bază este cea mai mică celulă repetitivă a tabloului de bază.

Proiectantul are responsabilitatea de a schimba interconectarea între tranzistoare folosind primele câteva straturi metalice ale matriței. Proiectantul alege din biblioteca de matrice de poartă. Acestea sunt deseori denumite Masked Gate Array. ASIC-urile bazate pe Gate Array sunt de trei tipuri. Acestea sunt matrice de poartă canalizate, matrice de poartă fără canale și o matrice de porți structurate.

a) .Channeled Gate Array

În acest tip de poartă, spațiul de cablare este lăsat între rândurile de tranzistoare. Acestea sunt similare cu CBIC, deoarece spațiul este lăsat pentru interconectarea între blocuri, dar în rândul de celule al matricei de porți canalizate sunt fixate în înălțime, în timp ce în CBIC acest spațiu poate fi ajustat.

Canal de poartă canalizat

Canal de poartă canalizat

Unele dintre principalele caracteristici ale acestui tablou de poartă sunt: ​​acest tablou de poartă folosește spații predefinite între rânduri pentru interconectare. Timpul de fabricație este de două zile până la două săptămâni.

b). Channel Less Gate Array

Nu mai există spațiu liber pentru rutare între rândurile de celule, așa cum se vede în matricea de poartă canalizată. Aici rutare se face de deasupra celulelor matricei de poartă, deoarece putem personaliza conexiunea dintre metalul 1 și tranzistoare. Pentru rutare, lăsăm tranzistoarele întinse pe calea rutei nefolosite. Termenul de fabricație este de aproximativ două săptămâni.

Channel Less Gate Array

Channel Less Gate Array

c). Matrice structurată de poartă

Acest tip de tablou de poartă are un bloc încorporat împreună cu rânduri de tablouri de poartă, așa cum se vede mai sus. Matricea de porți structurate are o eficiență mai mare a zonei CBIC. La fel ca matricea de porți mascate, acestea au un cost mai redus și o schimbare mai rapidă. Aici dimensiunea fixă ​​a funcției încorporate prezintă o limitare a matricei de porți structurate. De exemplu, este această matrice de poartă care conține o zonă rezervată pentru controlerul de 32 k biți, dar dacă într-o aplicație avem nevoie doar de o zonă pentru controlerul de 16 k biți, zona rămasă este irosită. toate au interconectare personalizată.

Matrice structurată de poartă

Matrice structurată de poartă

ASIC programabil

Există două tipuri de ASIC-uri programabile. Acestea sunt PLD și FPGA

PLD-uri (dispozitive logice programabile)

Acestea sunt celulele standard ușor disponibile. Putem programa un PLD pentru a personaliza o parte a aplicației, astfel încât acestea să fie considerate ASIC. Putem folosi diferite metode și software pentru a programa un PLD. Acestea conțin o matrice obișnuită de celule logice, de obicei logică matrice programabilă, împreună cu flip-flop-uri sau zăvorâre. Aici interconectările sunt prezente ca un singur bloc mare.
PROM este un exemplu comun al acestui CI. EPROM folosește tranzistoare MOS ca interconectare, prin aplicarea unei tensiuni ridicate o putem programa. PLD-urile nu au celule logice personalizate sau interconectare. Acestea au o schimbare rapidă a designului.

Dispozitive logice programabile

Dispozitive logice programabile

FPGA (Field Programmable Gate Array)

În cazul în care PLD-urile au logică matrice programabilă ca celule logice FPGA are un aranjament asemănător unei porți. PLD-urile sunt mai mici și mai puțin complexe decât FPGA-urile. Datorită flexibilității și caracteristicilor sale, FPGA înlocuiește TTL în sistemele microelectronice. Transformarea proiectării este de doar câteva ore.

Matrice de poartă programabilă pe teren

Matrice de poartă programabilă pe teren

Nucleul constă din celule logice de bază programabile care pot realiza ambele combinațional și logică secvențială . Putem programa celule logice și interconecta folosind unele metode. Celulele logice de bază sunt înconjurate de matricea interconectărilor programabile, iar nucleul este înconjurat de celule I / O programabile.

FPGA cuprinde de obicei blocuri logice configurabile, blocuri I / O configurabile, interconectări programabile, circuite de ceas, ALU, memorie, decodoare.

Am văzut diferite tipuri de ASIC disponibile. Acum să înțelegem când se fac toate aceste personalizări și interconectări în timpul fabricației.

Fluxul de proiectare a circuitului integrat specific aplicației (ASIC)

Proiectarea unui ASIC se realizează pas cu pas. Această ordine de pași este cunoscută sub numele de Design ASIC Curgere. Etapele fluxului de proiectare sunt date în diagrama de mai jos.

Flux de proiectare ASIC

Flux de proiectare ASIC

Intrare de proiectare: La acest pas, microarhitectura proiectului este implementată folosind limbaje de descriere hardware precum VHDL, Verilog și System Verilog.
Sinteza logică: La acest pas, o listă netă de celule logice care trebuie utilizate, tipuri de interconectări și toate celelalte părți necesare pentru aplicație este pregătită folosind HDL.
Partiționarea sistemului: La acest pas, împărțim matrița de dimensiuni mari în bucăți de dimensiunea ASIC.
Simulare pre-aspect: La acest pas, se face un test de simulare pentru a verifica dacă proiectarea conține erori.
Planificare podea: La acest pas, blocurile de netlist sunt aranjate pe cip.
Plasament: La acest pas se decide locația celulelor din interiorul blocului.
Rutare: La acest pas, sunt trase conexiuni între blocuri și celule. Extracție: la acest pas, determinăm proprietățile electrice, cum ar fi valoarea rezistenței și valoarea capacității interconectării.
Simulare post-aspect: Înainte de depunerea modelului pentru fabricare, această simulare se face pentru a verifica dacă sistemul funcționează corect împreună cu o sarcină de interconectare.

Exemple de ASIC

După ce am cunoscut diferitele caracteristici ale ASIC, acum permiteți-ne să vedem câteva exemple de ASIC.
ASIC standard pe bază de celule: LCB 300k, 500k de la LSI Logic Company, SIG1, 2, 3 familii de la ABB Hafo Inc., GCS90K de la GCS Plessey.
Produse Gate Array: AUA20K de la Harris Semiconductor, SCX6Bxx de la National Semiconductors, familii TGC / TEC de la Texas Instruments.
Produse PLD: Familia PAL de Advanced Micro Devices, familia GAL de la Philips Semiconductors, XC7300 și EPLD de la XILINX.
Produse FPGA: Seriile XC2000, XC3000, XC4000, XC5000 de la XILINX, pASIC1 din QuickLogic, MAX5000 de la Altera.

Aplicații ASIC

Unicitatea ASIC a revoluționat modul în care sunt fabricate electronice. Acestea au redus dimensiunile matriței, crescând în același timp densitatea porți logice pe cip. ASIC-urile sunt de obicei preferate pentru aplicații de nivel înalt. Cipul ASIC este utilizat ca nuclee IP pentru sateliți, fabricarea ROM, Microcontroler și diverse tipuri de aplicații în sectoarele medical și de cercetare. Una dintre aplicațiile trendy ale ASIC este BITCOIN MINER.

Bitcoin Miner

Exploatarea criptomonedelor necesită putere mai mare și hardware de mare viteză. Un procesor cu scop general nu poate oferi o capacitate de calcul atât de mare la viteză mare. Minerii bitcoin ASIC sunt cipuri încorporate în plăci de bază special concepute și surse de alimentare , construit într-o singură unitate. Este un hardware proiectat în mod intenționat până la nivelul cipului pentru extragerea bitcoinului. Aceste unități pot executa algoritmul unei singure criptomonede. Pentru un alt tip de criptomonedă, probabil, avem nevoie de un alt miner.

Avantajele și dezavantajele ASIC

avantajele ASIC include următoarele.

    • Dimensiunea redusă a ASIC îl face o alegere înaltă pentru sisteme mai mari și sofisticate.
    • Ca un număr mare de circuite construite pe un singur cip, acest lucru provoacă aplicații de mare viteză.
    • ASIC are un consum redus de energie.
    • Deoarece sunt sistemul de pe cip, circuitele sunt prezente una lângă alta. Deci, este necesară o rutare foarte minimă pentru a conecta diferite circuite.
    • ASIC nu are probleme de sincronizare și configurare post-producție.

dezavantaje ale ASIC include următoarele.

    • Deoarece acestea sunt cipuri personalizate, acestea oferă o flexibilitate redusă pentru programare.
    • Deoarece aceste cipuri trebuie să fie proiectate de la nivelul rădăcinii, acestea au un cost pe unitate ridicat.
    • ASIC are un timp mai mare pentru a comercializa marja.

ASIC vs FPGA

Diferența dintre ASIC și FPGA include următoarele.

ASIC

FPGA

Nu este reprogramabil

Reprogramabil

Preferat pentru producții cu volum mare

Preferat pentru producții cu volum redus
Acestea sunt specifice aplicației

Folosit ca prototipuri ale unui sistem

Eficiența energetică necesită mai puțină energie

O eficiență energetică mai mică necesită mai multă energie

Acestea sunt circuite permanente care nu pot fi actualizate din când în când.Foarte potrivit pentru aplicații în care circuitul trebuie actualizat din când în când, cum ar fi cipuri de telefon mobil, stații de bază etc.

Astfel, este vorba despre o privire de ansamblu asupra Circuit integrat specific aplicației . Invenția ASIC a provocat o schimbare extraordinară în modul în care sunt utilizate electronice. Folosim ASIC în viața noastră de zi cu zi sub diferite aplicații. Cu ce ​​aplicații ASIC ați întâlnit? Cu ce ​​tip de ASIC ați lucrat?