Einführung in Application Specific Integrated Circuit (ASIC)

In unserem täglichen Leben stoßen wir auf verschiedene Arten von elektronischen Geräten. Eine der Technologien, die eine Revolution in der Elektronikproduktion hervorgebracht haben, ist „ Integrierter Schaltkreis “. Diese Technologie reduzierte die Größe elektronischer Produkte durch Erhöhung der Dichte von Logikgatter pro Chip. Heute haben wir verschiedene Arten und Konfigurationen von ICs. Während wir beobachten, stellen wir fest, dass einige ICs nur für eine bestimmte Anwendung verwendet werden können, während einige ICs neu programmiert und für verschiedene Anwendungen verwendet werden können. Diese Arten von ICs werden als ASICs bezeichnet. Aber wie unterscheiden sie sich? Wie ist es möglich, sie neu zu programmieren? Warum können einige ICs nicht neu programmiert werden? Finden Sie Antworten auf diese Fragen.

Was ist ein ASIC (Application Specific Integrated Circuit)?

ASIC Vollform ist Anwendungsspezifische integrierte Schaltung. Diese Schaltungen sind anwendungsspezifisch. maßgeschneiderte ICs für eine bestimmte Anwendung. Diese werden normalerweise auf Stammebene basierend auf den Anforderungen der jeweiligen Anwendung entworfen. Einige der grundlegenden Anwendungsspezifische Beispiele für integrierte Schaltkreise sind Chips, die in Spielzeug verwendet werden, der Chip, der für die Schnittstelle von Speicher und Mikroprozessor usw. verwendet wird. Diese Chips können nur für die eine Anwendung verwendet werden, für die diese entwickelt wurden. Vermutlich diese Arten von ICs werden nur für Produkte bevorzugt, die eine große Auflage haben. Da ASICs von der Root-Ebene aus entwickelt wurden, sind sie kostenintensiv und werden nur für großvolumige Produktionen empfohlen.

Der Hauptvorteil von ASIC ist die verringerte Chipgröße, da eine große Anzahl von Funktionseinheiten einer Schaltung über einem einzelnen Chip aufgebaut ist. Moderner ASIC enthält im Allgemeinen ein 32-Bit Mikroprozessor , Speicherblöcke, Netzwerkschaltungen usw. Diese Art von ASICs ist bekannt als System on Chip . Mit der Entwicklung der Fertigungstechnologie und der zunehmenden Erforschung von Entwurfsmethoden werden ASICs mit unterschiedlichen Anpassungsstufen entwickelt.

Arten von ASIC

ASICs werden basierend auf dem Anpassungsgrad kategorisiert, den ein Programmierer auf einem Chip vornehmen darf.

Arten von ASICs

Volle Gewohnheit

Bei dieser Art von Design sind alle Logikzellen auf die spezifische Anwendung zugeschnitten. Der Konstrukteur muss speziell die Logikzellen für die Schaltungen herstellen. Alle Maskenebenen für die Verbindung werden angepasst. Der Programmierer kann also die Verbindungen des Chips nicht ändern und muss beim Programmieren das Schaltungslayout kennen.

Eines der besten Beispiele für Full Custom ASIC ist ein Mikroprozessor. Diese Art der Anpassung ermöglicht es Entwicklern, verschiedene analoge Schaltungen, optimierte Speicherzellen oder mechanische Strukturen auf einem einzigen IC aufzubauen. Dieser ASIC ist teuer und sehr zeitaufwendig in Herstellung und Design. Die Entwicklung dieser ICs dauert ungefähr acht Wochen.

Diese sind normalerweise für Anwendungen auf hoher Ebene vorgesehen. Maximale Leistung, minimierte Fläche und höchste Flexibilität sind die Hauptmerkmale von Full Custom Design. Letztendlich ist das Risiko im Design hoch, da die verwendeten Logikzellen, Widerstände usw. nicht vorgetestet werden.

Semi-Custom

Bei dieser Art von Entwurf werden Logikzellen aus Standardbibliotheken entnommen. Sie sind nicht handgefertigt wie in Full Custom Design. Einige Masken werden angepasst, während andere aus der vordefinierten Bibliothek stammen. Basierend auf dem Typ der Logikzellen aus der Bibliothek und dem Umfang der für Verbindungen zulässigen Anpassungen werden diese ASICs in zwei Typen unterteilt: Standard-ASIC auf Zellenbasis und ASIC auf Gate-Array-Basis.

1). Standard zellbasierter ASIC

Um diese ICs zu kennen, lassen Sie uns zunächst verstehen, wofür eine Standardzellbibliothek steht. Einige der Logikzellen wie UND Tore ODER Tore , Multiplexer, Flip-Flops werden von Designern mit unterschiedlichen Konfigurationen vorgefertigt, standardisiert und in Form einer Bibliothek gespeichert. Diese Sammlung wird als Standardzellbibliothek bezeichnet.

Standard zellbasierter ASIC

In standardzellenbasierten ASIC-Logikzellen aus diesen Standardbibliotheken werden verwendet. Auf dem ASIC-Chip bestehen Standardzellenbereiche oder flexible Blöcke aus Standardzellen, die in Form von Zeilen angeordnet sind. Zusammen mit diesen flexiblen Blöcken werden Megazellen wie Mikrocontroller oder sogar Mikroprozessoren auf dem Chip verwendet. Diese Megazellen werden auch als Megafunktionen, Makros auf Systemebene, feste Blöcke und funktionale Standardblöcke bezeichnet.

Die obige Abbildung zeigt einen Standardzellen-ASIC mit einem einzelnen Standardzellenbereich und vier festen Blöcken. Maskenebenen werden angepasst. Hier kann der Designer Standardzellen überall auf dem Chip platzieren. Diese werden auch als C-BIC bezeichnet.

2). Gate Array-basierter ASIC

Diese Art von semi-benutzerdefinierten ASIC wurde vordefiniert Transistoren auf dem Siliziumwafer .i.e. Der Konstrukteur kann die Platzierung der auf dem Chip vorhandenen Transistoren nicht ändern. Das Basisarray ist das vordefinierte Muster des Gate-Arrays und die Basiszelle ist die kleinste sich wiederholende Zelle des Basisarrays.

Der Konstrukteur ist nur verpflichtet, die Verbindung zwischen Transistoren unter Verwendung der ersten Metallschichten des Chips zu ändern. Der Designer wählt aus der Gate-Array-Bibliothek. Diese werden oft als Masked Gate Array bezeichnet. Es gibt drei Arten von Gate Array Based ASIC. Sie sind Channeled Gate Array, Channel Less Gate Array und ein strukturiertes Gate Array.

a) .Channeled Gate Array

Bei dieser Art von Gate-Array bleibt zwischen den Transistorreihen ein Verdrahtungsraum. Diese sind CBIC ähnlich, da Platz für die Verbindung zwischen Blöcken verbleibt, aber in kanalisierten Gate-Array-Zellenreihen eine feste Höhe festgelegt ist, während in CBIC dieser Raum angepasst werden kann.

Channeled Gate Array

Einige der Hauptmerkmale dieses Gate-Arrays sind: Dieses Gate-Array verwendet vordefinierte Leerzeichen zwischen Zeilen für die Verbindung. Die Herstellungszeit beträgt zwei Tage bis zwei Wochen.

b). Kanalloses Gate-Array

Es ist kein freier Speicherplatz mehr für das Routing zwischen Zellenreihen vorhanden, wie im Kanal-Gate-Array zu sehen ist. Hier erfolgt das Routing von oberhalb der Gate-Array-Zellen, da wir die Verbindung zwischen Metall 1 und Transistoren anpassen können. Für das Routing lassen wir die im Routingpfad liegenden Transistoren unbenutzt. Die Fertigungsvorlaufzeit beträgt ca. zwei Wochen.

Kanalloses Gate-Array

c). Strukturiertes Gate-Array

Diese Art von Gate-Array hat einen eingebetteten Block zusammen mit Gate-Array-Zeilen, wie oben gezeigt. Strukturiertes Gate-Array hat eine höhere Flächeneffizienz von CBIC. Wie Masked Gate Arrays haben diese geringere Kosten und eine schnellere Abwicklung. Hier stellt die feste Größe der eingebetteten Funktion eine Einschränkung für das strukturierte Gate-Array dar. Enthält dieses Gate-Array beispielsweise einen Bereich, der für 32-Bit-Controller reserviert ist? Wenn wir in einer Anwendung jedoch nur einen Bereich für 16-Bit-Controller benötigen, wird der verbleibende Bereich verschwendet. Alle Gate-Arrays haben eine Bearbeitungszeit von zwei Tagen bis zwei Wochen und Alle haben eine maßgeschneiderte Verbindung.

Strukturiertes Gate-Array

Programmierbarer ASIC

Es gibt zwei Arten von programmierbaren ASICs. Sie sind PLD und FPGA

PLDs (Programmable Logic Devices)

Dies sind die Standardzellen, die leicht verfügbar sind. Wir können eine PLD programmieren, um einen Teil der Anwendung anzupassen, sodass sie als ASIC betrachtet werden. Wir können verschiedene Methoden und Software verwenden, um eine PLD zu programmieren. Diese enthalten eine reguläre Matrix von Logikzellen, üblicherweise programmierbare Array-Logik, zusammen mit Flip-Flops oder Latches. Hier liegen Verbindungen als ein einziger großer Block vor.
PROM ist ein häufiges Beispiel für diesen IC. Das EPROM verwendet MOS-Transistoren als Verbindung, so dass wir sie durch Anlegen einer Hochspannung programmieren können. PLDs haben keine angepassten Logikzellen oder Verbindungen. Diese haben eine schnelle Design-Abwicklung.

Programmierbare Logikgeräte

FPGAs (Field Programmable Gate Array)

Wobei PLDs programmierbare Array-Logik als Logikzellen haben FPGA hat eine Gate-Array-ähnliche Anordnung. PLDs sind kleiner und weniger komplex als FPGAs. Aufgrund seiner Flexibilität und Eigenschaften ersetzt FPGA TTL in mikroelektronischen Systemen. Die Design-Bearbeitungszeit beträgt nur wenige Stunden.

Feldprogrammierbares Gate-Array

Der Kern besteht aus programmierbaren Basislogikzellen, die beides ausführen können kombinatorische und sequentielle Logik . Wir können Logikzellen programmieren und mit einigen Methoden verbinden. Grundlegende Logikzellen sind von der Matrix programmierbarer Verbindungen umgeben, und der Kern ist von programmierbaren E / A-Zellen umgeben.

FPGA besteht normalerweise aus konfigurierbaren Logikblöcken, konfigurierbaren E / A-Blöcken, programmierbaren Verbindungen, Taktschaltungen, ALU, Speicher und Decodern.

Wir haben die verschiedenen verfügbaren ASIC-Typen gesehen. Lassen Sie uns nun verstehen, wann all diese Anpassungen und Verbindungen während der Herstellung vorgenommen werden.

Entwurfsablauf für anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC)

Das Entwerfen eines ASIC erfolgt Schritt für Schritt. Diese Reihenfolge der Schritte ist bekannt als ASIC-Design Fließen. Die Schritte des Entwurfsablaufs sind im folgenden Flussdiagramm angegeben.

ASIC Design Flow

Designeintrag: In diesem Schritt wird die Mikroarchitektur des Entwurfs mithilfe von Hardwarebeschreibungssprachen wie VHDL, Verilog und System Verilog implementiert.
Logiksynthese: In diesem Schritt wird eine Netzliste der zu verwendenden Logikzellen, Arten von Verbindungen und aller anderen für die Anwendung erforderlichen Teile unter Verwendung von HDL erstellt.
Systempartitionierung: In diesem Schritt teilen wir den großformatigen Chip in Teile mit ASIC-Größe.
Pre-Layout-Simulation: In diesem Schritt wird ein Simulationstest durchgeführt, um zu überprüfen, ob das Design Fehler enthält.
Bodenplanung: In diesem Schritt werden Blöcke der Netzliste auf dem Chip angeordnet.
Platzierung: In diesem Schritt wird die Position der Zellen innerhalb des Blocks festgelegt.
Routing: In diesem Schritt werden Verbindungen zwischen Blöcken und Zellen hergestellt. Extraktion: In diesem Schritt bestimmen wir die elektrischen Eigenschaften wie den Widerstandswert und den Kapazitätswert der Verbindung.
Post-Layout-Simulation: Vor der Einreichung des Modells zur Herstellung wird diese Simulation durchgeführt, um zu überprüfen, ob das System zusammen mit einer Verbindungslast ordnungsgemäß funktioniert.

Beispiele für ASIC

Nachdem wir die verschiedenen Eigenschaften von ASIC kennen, sehen wir uns nun einige Beispiele für ASIC an.
Standard zellbasierter ASIC: LCB 300k, 500k von LSI Logic Company, SIG1, 2, 3 Familien von ABB Hafo Inc., GCS90K von GCS Plessey.
Gate-Array-Produkte: AUA20K von Harris Semiconductor, SCX6Bxx von National Semiconductors, TGC / TEC-Familien von Texas Instruments.
PLD-Produkte: PAL-Familie von Advanced Micro Devices, GAL-Familie von Philips Semiconductors, XC7300 und EPLD von XILINX.
FPGA-Produkte: XC2000, XC3000, XC4000, XC5000-Serie von XILINX, pASIC1 von QuickLogic, MAX5000 von Altera.

Anwendungen von ASIC

Die Einzigartigkeit von ASIC hat die Art und Weise, wie Elektronik hergestellt wird, revolutioniert. Diese reduzierten die Chipgrößen, während sie die Dichte von erhöhten Logikgatter pro Chip. ASICs werden normalerweise für Anwendungen auf hoher Ebene bevorzugt. ASIC-Chip wird als IP-Kerne für Satelliten, ROM-Herstellung, verwendet Mikrocontroller und verschiedene Arten von Anwendungen in der Medizin und Forschung. Eine der Trendanwendungen von ASIC ist BITCOIN MINER.

Bitcoin Miner

Das Mining von Kryptowährung erfordert eine höhere Leistung und Hochgeschwindigkeitshardware. Eine Allzweck-CPU kann bei hoher Geschwindigkeit keine so höhere Rechenkapazität bereitstellen. ASIC Bitcoin Miner sind Chips, die in speziell entwickelte Motherboards und eingebaut sind Netzteile , zu einer Einheit zusammengebaut. Es handelt sich um eine absichtlich entwickelte Hardware bis hin zur Chip-Ebene für das Bitcoin-Mining. Diese Einheiten können den Algorithmus nur einer einzigen Kryptowährung ausführen. Für eine andere Art von Kryptowährung benötigen wir vermutlich einen anderen Miner.

Vor- und Nachteile von ASIC

Das Vorteile von ASIC das Folgende einschließen.

• • Die geringe Größe von ASIC macht es zu einer hohen Wahl für anspruchsvolle größere Systeme.

• • Da eine große Anzahl von Schaltungen über einen einzelnen Chip aufgebaut ist, führt dies zu Hochgeschwindigkeitsanwendungen.

• • ASIC hat einen geringen Stromverbrauch.

• • Da es sich um das System auf dem Chip handelt, sind Schaltkreise nebeneinander vorhanden. Daher ist nur ein sehr geringes Routing erforderlich, um verschiedene Schaltkreise zu verbinden.
  • ASIC hat keine Zeitprobleme und keine Konfiguration nach der Produktion.

Das Nachteile von ASIC das Folgende einschließen.

• • Da es sich um kundenspezifische Chips handelt, bieten sie eine geringe Flexibilität bei der Programmierung.

• • Da diese Chips von der Wurzelebene aus entworfen werden müssen, sind sie pro Einheit mit hohen Kosten verbunden.
  • ASIC haben eine größere Time-to-Market-Marge.

ASIC gegen FPGA

Der Unterschied zwischen ASIC und FPGA umfasst Folgendes.

Hier geht es also um einen Überblick über Anwendungsspezifische integrierte Schaltung . Die Erfindung des ASIC hat die Art und Weise, wie Elektronik verwendet wird, enorm verändert. Wir verwenden ASIC in unserem täglichen Leben in Form verschiedener Anwendungen. Auf welche ASIC-Anwendungen sind Sie gestoßen? Mit welcher Art von ASIC haben Sie gearbeitet?