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什么是ASIC?

发布人:电子资料库 时间:2022-09-19 来源:工程师 发布文章

电子行业一直专注于小型化。这种小型化是由在最小尺寸中集成最大逻辑的愿望驱动的。尽管如此,在 2021 年,该行业还没有为摩尔定律的终结做好准备,尽管研发成本逐渐上升以继续沿着这条道路前进。

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晶体管逻辑在微型芯片中实现计算的能力首先导致了 CPU 的发展。CPU 与 MPU 和微控制器等其他外围设备捆绑在一起为时不晚。在 MPU 继续满足通用计算需求的同时,微控制器则专注于特定应用和面向行业的细分市场。这些细分市场迫使半导体制造商在数字 IC 中以专用集成电路 (ASIC) 和 FPGA 的形式开发更具体和高性能的设计。

据最新统计,通用计算仅占半导体市场份额的21%。相比之下,无线通信、工业电子、消费电子、汽车电子等其他细分市场占其余部分。虽然存储器和逻辑 IC 市场在 2018 年的最高收入分别约为 1700 亿美元和 1000 亿美元,但专用逻辑以大约 950 亿美元的收入位居第三。微处理器的收入只有一半,而微控制器的收入与 ASIC 相比甚至不到三分之一。

除了嵌入式控制之外,ASIC 还新发现用于 AI 推理、高速搜索以及视觉和图像处理等应用。在嵌入式系统中,CPU 和 MCU 在低成本、低功耗的移动应用中处于领先地位。ASIC 在非消费应用中仍然占主导地位。ASIC 在大容量视觉和图像处理应用中尤其占有一席之地。

ASIC 的市场份额超过了微处理器和微控制器,似乎非常重要。让我们看看 ASIC 到底是什么!

什么是ASIC?

集成电路可以设计为迎合许多应用程序或服务于单个应用程序。为实现特定应用而设计的数字集成电路称为专用集成电路 (ASIC)。从根本上讲,这些 IC 是为实现特定用例而量身定制的。这些芯片通常容纳许多功能单元,如处理器、通信外围设备、内存等,都密集地封装在一个芯片上。这些类型的 ASIC 称为片上系统 (SoC)。ASIC 成本高,最适合大规模应用。通常,ASIC 设计为适合特定产品。

不同类型的 ASIC

在计算方面,ASIC 实际上不是可编程芯片。但是,这些可以由用户自定义以最适合各自的用例。定制是使用电子设计自动化 (EDA) 工具完成的,芯片设计由用户使用硬件描述语言 (HDL) 指定。定制级别决定了 ASIC 的类型。ASIC 可以是以下类型之一——

  1. 全定制

  2. 半定制

  3. 可编程的

全定制 ASIC

所有逻辑单元都是为特定应用而设计的,在完全定制的 ASIC 中具有固定的电路布局。程序员不能改变芯片的互连。此类设计适用于存储芯片、传感器和传感器、电源管理 IC、模拟处理器和微处理器等应用。使用全定制 ASIC 的优势在于以最小的芯片尺寸获得尽可能高的性能。然而,这一切都取代了复杂的设计、更长的上市时间和高昂的成本。这就是为什么这些 ASIC 专为高级和大容量应用而设计的原因。

半定制 ASIC

在这些类型的 ASIC 中,逻辑单元不是完全定制的。它们取自标准库,它们之间的互连既是定制的又是标准的。与可能在晶体管级别完成设计的全定制 ASIC 相比,所涉及的最低设计是半定制 ASIC 中的逻辑或门。这种方法有助于减少设计全定制 ASIC 所涉及的时间和成本。根据设计方法,半定制 ASIC 可以有两种类型:

  1. 基于标准单元的 ASIC——这些 ASIC 是使用标准单元库设计的。逻辑单元,如逻辑门、多路复用器、多路分解器、寄存器等,是从单元库中预先设计的。逻辑单元甚至可以是微处理器或微控制器。这种大小的逻辑单元称为兆单元。所有逻辑单元都排列成行,程序员可以在其中自定义块在自定义掩模层上的位置。

  2. 基于门阵列的 ASIC——在这些 ASIC 中,逻辑单元在芯片上具有固定的位置,设计人员可以使用掩膜层更改块之间的互连。基本单元是重复形成基本阵列的晶体管。这定义了设计人员互连的门阵列模式以完成 IC 设计。门阵列 IC 分为三种类型——通道门阵列、无通道门阵列和结构化门阵列。

可编程 ASIC

这些 ASIC 通常用于原型设计。设计人员可以以编程方式完全自定义设计。可编程 ASIC 有两种类型:

  1. 可编程逻辑器件 (PLD)——这些 ASIC 没有定制的逻辑单元或互连。有一个规则的逻辑单元矩阵,可以使用软件进行编程。设计人员可以自定义模块并定义互连。这允许产生特定于特定应用的设计。PLD 本身用作标准单元并有助于快速设计。PLD 的一些很好的例子是 PROM 和 EPROM。

  2. 现场可编程门阵列 (FPGA) – FPGA 由可编程门阵列组成,由可编程互连包围。门阵列用作可编程逻辑单元,可以定制为具有组合逻辑或时序逻辑。也可以使用一些方法对周围的互连进行编程。FPGA 对于可能在几个小时内完成的令人难以置信的快速设计非常有用。

基于门阵列的 ASIC 的类型

基于门阵列的 ASIC 分为三种类型:

  1. 通道门阵列——在通道门阵列中,固定高度的逻辑块排列成阵列,它们之间有空间用于互连。

  2. 无通道门阵列——在无通道门阵列中,逻辑块的行之间没有空间。相反,通过将晶体管放置在互连未使用的路径中,在逻辑单元上完成布线。

  3. 结构化门阵列——在结构化门阵列中,裸片上的一些空间留给固定的嵌入式块,其余的门阵列块可用于布线。嵌入式模块的使用减少了设计时间,尽管它可能不会产生最佳优化的设计。

结论

ASIC 通常涉及重用高级组件的芯片设计。这些组件具有寄存器、计数器、多路复用器、浮点运算单元和算术逻辑单元的门级复杂性。高级组件通常可用作知识产权 (IP) 内核。该设计公司拥有设计 ASIC 所涉及的 IP 核的版权。各个模块根据客户的设计相互连接,客户必须为每一个出货的芯片向设计公司支付专利费。

ASIC 在半导体行业占有很大的市场份额。即使不是通用计算,ASIC 也服务于各种其他细分市场以及嵌入式控制中的高级组件。ASIC 专为特定用例设计、定制和生产,并直接适用于特定最终产品。


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