Introduzione all'ASIC (Application Specific Integrated Circuit)

Introduzione all'ASIC (Application Specific Integrated Circuit)

Nella nostra vita quotidiana, ci imbattiamo in vari tipi di gadget elettronici. Una delle tecnologie che ha portato a una rivoluzione nella produzione di elettronica è ' Circuito integrato “. Questa tecnologia ha ridotto le dimensioni dei prodotti elettronici aumentando la densità di porte logiche per chip. Oggi abbiamo diversi tipi e configurazioni di circuiti integrati. Come osserviamo in giro, scopriamo che alcuni circuiti integrati possono essere utilizzati solo per un'applicazione specifica mentre alcuni possono essere riprogrammati e utilizzati per varie applicazioni. Questi tipi di circuiti integrati sono denominati ASIC. Ma in cosa differiscono? Come è possibile riprogrammarli? Perché alcuni circuiti integrati non possono essere riprogrammati? Salta a trovare le risposte a queste domande.

Cos'è un ASIC (Application Specific Integrated Circuit)?

La forma completa dell'ASIC è Circuito integrato specifico per l'applicazione. Questi circuiti sono specifici dell'applicazione. circuiti integrati su misura per una particolare applicazione. Questi sono generalmente progettati dal livello principale in base ai requisiti della particolare applicazione. Alcuni dei fondamentali esempi di circuiti integrati per applicazioni specifiche sono chip utilizzati nei giocattoli, il chip utilizzato per l'interfacciamento della memoria e del microprocessore, ecc ... Questi chip possono essere utilizzati solo per quella applicazione per cui sono stati progettati. Presumibilmente, questi tipi di CI sono preferiti solo per quei prodotti che hanno una grande tiratura. Poiché gli ASIC sono progettati a partire dal livello principale, hanno un costo elevato e sono consigliati solo per produzioni ad alto volume.




Il vantaggio principale dell'ASIC è la dimensione ridotta del chip poiché un gran numero di unità funzionali di un circuito sono costruite su un singolo chip. L'ASIC moderno generalmente include un 32 bit microprocessore , blocchi di memoria, circuiti di rete ecc… Questo tipo di ASIC è noto come Sistema su chip . Con lo sviluppo della tecnologia di produzione e una maggiore ricerca sui metodi di progettazione, vengono sviluppati ASIC con diversi livelli di personalizzazione.



Tipi di ASIC

Gli ASIC sono classificati in base alla quantità di personalizzazione che un programmatore può eseguire su un chip.

Tipi di ASIC

Tipi di ASIC



Completamente personalizzato

In questo tipo di progettazione tutte le celle logiche sono realizzate su misura per applicazioni specifiche. il progettista deve realizzare appositamente le celle logiche per i circuiti. Tutti i livelli della maschera per l'interconnessione sono personalizzati. Quindi il programmatore non può modificare le interconnessioni del chip e durante la programmazione deve essere consapevole del layout del circuito.

Uno dei migliori esempi di ASIC personalizzato completo è un microprocessore. Questo tipo di personalizzazione consente ai progettisti di costruire vari circuiti analogici, celle di memoria ottimizzate o strutture meccaniche su un singolo IC. Questo ASIC è costoso e richiede molto tempo per la produzione e la progettazione. Il tempo necessario per progettare questi circuiti integrati è di circa otto settimane.


Questi sono generalmente destinati ad applicazioni di alto livello. Massime prestazioni, area ridotta al minimo e massimo grado di flessibilità sono le caratteristiche principali del design completamente personalizzato. Alla fine, il rischio è alto nella progettazione poiché le celle logiche, il resistore, ecc ... gli elementi del circuito utilizzati non sono pretestati.



Semi-personalizzato

In questo tipo di progettazione le celle logiche sono prese da librerie standard. non sono realizzati a mano come nel design personalizzato completo. Alcune maschere sono personalizzate mentre altre sono prese dalla libreria predefinita. In base al tipo di celle logiche prese dalla libreria e alla quantità di personalizzazione consentita per le interconnessioni, questi ASIC sono divisi in due tipi: ASIC standard basato su cella e ASIC basato su gate array.

1). ASIC basato su cella standard

Per conoscere questi IC, prima di tutto, dobbiamo capire cosa rappresenta una libreria di celle standard. Alcune delle celle logiche come AND cancelli, OR cancelli , multiplexer, infradito sono predefiniti dai progettisti utilizzando diverse configurazioni, standardizzati e archiviati sotto forma di libreria. Questa raccolta è nota come libreria di celle standard.

ASIC basato su celle standard

ASIC basato su cella standard

In celle standard basate su celle, vengono utilizzate celle logiche ASIC di queste librerie standard. Sul chip ASIC l'area delle celle standard o il blocco flessibile sono costituiti da celle standard disposte sotto forma di righe. Insieme a questi blocchi flessibili vengono utilizzate su chip mega celle come microcontrollori o anche microprocessori. Queste mega celle sono anche note come funzioni Mega, macro a livello di sistema, blocchi fissi, blocchi funzionali standard.

La figura sopra rappresenta un ASIC di cella standard con una singola area di cella standard e quattro blocchi fissi. I livelli della maschera sono personalizzati. Qui il progettista può posizionare celle standard ovunque sullo stampo. Questi sono anche conosciuti come C-BIC.

2). ASIC basato su gate array

Questo tipo di ASIC semi-personalizzato è predefinito transistor sul wafer di silicio, cioè. il progettista non può modificare il posizionamento dei transistor presenti sullo stampo. L'array di base è il modello predefinito dell'array di gate e la cella di base è la cella ripetitiva più piccola dell'array di base.

Il progettista ha solo la responsabilità di modificare l'interconnessione tra i transistor utilizzando i primi pochi strati di metallo del die. Il progettista sceglie dalla libreria di array di porte. Questi sono spesso chiamati Masked Gate Array. Gli ASIC basati su gate array sono di tre tipi. Sono Channeled Gate Array, Channel less gate array e un gate array strutturato.

a). Gate Array canalizzato

In questo tipo di array di porte, lo spazio per il cablaggio viene lasciato tra le file di transistor. Questi sono simili al CBIC poiché lo spazio è lasciato per l'interconnessione tra i blocchi, ma nelle righe di celle della matrice di gate canalizzate sono fissate in altezza mentre in CBIC questo spazio può essere regolato.

Channeled Gate Array

Channeled Gate Array

Alcune delle caratteristiche principali di questo array di porte sono: questo array di porte utilizza spazi predefiniti tra le righe per l'interconnessione. Il tempo di produzione va da due giorni a due settimane.

b). Channel Less Gate Array

Non è rimasto spazio libero per l'instradamento tra le righe di celle come si vede nell'array di gate canalizzato. Qui il routing viene eseguito dall'alto delle celle dell'array di gate poiché possiamo personalizzare la connessione tra il metallo 1 e i transistor. Per il routing, lasciamo i transistor che si trovano nel percorso di routing inutilizzati. Il lead time di produzione è di circa due settimane.

Channel Less Gate Array

Channel Less Gate Array

c). Gate Array strutturato

Questo tipo di array di porte ha un blocco incorporato insieme alle righe dell'array di porte come visto sopra. L'array di gate strutturato ha una maggiore efficienza dell'area del CBIC. Come gli array di gate mascherati, questi hanno costi inferiori e tempi di consegna più rapidi. Qui la dimensione fissa della funzione incorporata pone una limitazione sull'array di gate strutturato. Ad esempio, se questo array di porte contiene un'area riservata per controller a 32k bit ma se in un'applicazione richiediamo solo un'area per controller a 16k bit, l'area rimanente viene sprecata.Tutto l'array di porte ha un tempo di consegna da due giorni a due settimane e hanno tutti interconnessione personalizzata.

Gate Array strutturato

Gate Array strutturato

ASIC programmabile

Esistono due tipi di ASIC programmabili. Sono PLD e FPGA

PLD (dispositivi logici programmabili)

Queste sono le celle standard prontamente disponibili. Possiamo programmare un PLD per personalizzare una parte dell'applicazione, quindi sono considerati ASIC. Possiamo utilizzare diversi metodi e software per programmare un PLD. Questi contengono una matrice regolare di celle logiche di solito logica di matrice programmabile insieme a flip-flop o latch. Qui le interconnessioni sono presenti come un unico grande blocco.
PROM è un esempio comune di questo IC. EPROM utilizza transistor MOS come interconnessione, quindi applicando alta tensione possiamo programmarla. I PLD non hanno celle logiche personalizzate o interconnessioni. Questi hanno una rapida inversione di tendenza.

Dispositivi logici programmabili

Dispositivi logici programmabili

FPGA (Field Programmable Gate Array)

Dove i PLD hanno una logica di array programmabile come celle logiche FPGA ha una disposizione tipo gate array. I PLD sono più piccoli e meno complessi degli FPGA. Grazie alla sua flessibilità e caratteristiche, FPGA sta sostituendo TTL nei sistemi microelettronici. Il tempo necessario per la progettazione è di poche ore.

Gate array programmabile sul campo

Gate array programmabile sul campo

Il nucleo è costituito da celle logiche di base programmabili che possono eseguire entrambe le cose combinatorio e logica sequenziale . Possiamo programmare celle logiche e interconnetterle usando alcuni metodi. Le celle logiche di base sono circondate dalla matrice di interconnessioni programmabili e il nucleo è circondato da celle I / O programmabili.

L'FPGA comprende solitamente blocchi logici configurabili, blocchi I / O configurabili, interconnessioni programmabili, circuiti di clock, ALU, memoria, decodificatori.

Abbiamo visto i diversi tipi di ASIC disponibili. Ora capiamo quando tutte queste personalizzazioni e interconnessioni vengono eseguite durante la produzione.

Flusso di progettazione del circuito integrato per applicazioni specifiche (ASIC)

La progettazione di un ASIC viene eseguita in modo graduale. Questo ordine di passaggi è noto come Design ASIC Flusso. I passaggi del flusso di progettazione sono indicati nel diagramma di flusso sottostante.

Flusso di progettazione ASIC

Flusso di progettazione ASIC

Voce di progettazione: In questa fase, la microarchitettura del progetto viene implementata utilizzando linguaggi di descrizione hardware come VHDL, Verilog e System Verilog.
Sintesi logica: A questo punto viene preparata una netlist di celle logiche da utilizzare, tipi di interconnessioni e tutte le altre parti necessarie per l'applicazione utilizzando HDL.
Partizionamento del sistema: A questo punto, dividiamo lo stampo di grandi dimensioni in pezzi di dimensioni ASIC.
Simulazione pre-layout: In questa fase, viene eseguito un test di simulazione per verificare se il progetto contiene errori.
Pianificazione: A questo punto i blocchi della netlist sono disposti sul chip.
Posizionamento: In questa fase viene decisa la posizione delle celle all'interno del blocco.
Routing: A questo punto, vengono tracciate le connessioni tra blocchi e celle. Estrazione: in questa fase, determiniamo le proprietà elettriche come il valore di resistenza e il valore di capacità dell'interconnessione.
Simulazione post-layout: Prima della presentazione del modello per la produzione, questa simulazione viene eseguita per verificare se il sistema funziona correttamente insieme a un carico di interconnessione.

Esempi di ASIC

Avendo conosciuto le diverse caratteristiche dell'ASIC vediamo ora alcuni esempi di ASIC.
ASIC basato su cella standard: LCB 300k, 500k di LSI Logic Company, SIG1, 2, 3 famiglie di ABB Hafo Inc., GCS90K di GCS Plessey.
Prodotti Gate Array: AUA20K di Harris Semiconductor, SCX6Bxx di National Semiconductors, famiglie TGC / TEC di Texas Instruments.
Prodotti PLD: Famiglia PAL di Advanced Micro Devices, famiglia GAL di Philips Semiconductors, XC7300 ed EPLD di XILINX.
Prodotti FPGA: Serie XC2000, XC3000, XC4000, XC5000 di XILINX, pASIC1 di QuickLogic, MAX5000 di Altera.

Applicazioni di ASIC

L'unicità dell'ASIC ha rivoluzionato il modo in cui vengono prodotti i componenti elettronici. Questi hanno ridotto le dimensioni dello stampo aumentando la densità di porte logiche per chip. Gli ASIC sono generalmente preferiti per applicazioni di alto livello. Il chip ASIC viene utilizzato come core IP per satelliti, produzione di ROM, Microcontrollore e vari tipi di applicazioni nel settore medico e della ricerca. Una delle applicazioni di tendenza di ASIC è BITCOIN MINER.

Bitcoin Miner

L'estrazione di criptovaluta richiede maggiore potenza e hardware ad alta velocità. Una CPU generica non può fornire una capacità di elaborazione così elevata ad alta velocità. I minatori bitcoin ASIC sono chip integrati in schede madri appositamente progettate e riserve energetiche , costruito in una singola unità. È un hardware appositamente progettato fino al livello di chip per il mining di bitcoin. Queste unità possono eseguire l'algoritmo di una sola criptovaluta. Per un diverso tipo di criptovaluta presumibilmente, abbiamo bisogno di un altro minatore.

Vantaggi e svantaggi dell'ASIC

Il vantaggi dell'ASIC include il seguente.

    • Le dimensioni ridotte dell'ASIC lo rendono una scelta eccellente per sistemi sofisticati più grandi.
    • Poiché un gran numero di circuiti costruiti su un singolo chip, questo provoca applicazioni ad alta velocità.
    • ASIC ha un basso consumo energetico.
    • Poiché sono il sistema sul chip, i circuiti sono presenti fianco a fianco. Quindi, è necessario un instradamento minimo per collegare vari circuiti.
    • ASIC non ha problemi di temporizzazione e configurazione di post-produzione.

Il svantaggi dell'ASIC include il seguente.

    • Poiché si tratta di chip personalizzati, forniscono una bassa flessibilità per la programmazione.
    • Poiché questi chip devono essere progettati dal livello principale, hanno un costo unitario elevato.
    • L'ASIC ha un margine di time to market maggiore.

ASIC vs FPGA

La differenza tra ASIC e FPGA include quanto segue.

ASIC

FPGA

Non riprogrammabile

Riprogrammabile

Preferito per produzioni ad alto volume

Preferito per produzioni a basso volume
Questi sono specifici dell'applicazione

Utilizzato come prototipi di un sistema

L'efficienza energetica richiede meno energia

Meno efficienza energetica richiede più potenza

Questi sono circuiti permanenti che non possono essere aggiornati di volta in volta.Altamente adatto per applicazioni in cui il circuito deve essere aggiornato di volta in volta come chip per telefoni cellulari, stazioni base, ecc

Quindi, si tratta di una panoramica di Circuito integrato specifico per l'applicazione . L'invenzione dell'ASIC ha causato un enorme cambiamento nel modo in cui viene utilizzata l'elettronica. Usiamo ASIC nella nostra vita quotidiana sotto forma di varie applicazioni. Quali applicazioni di ASIC ti sei imbattuto? Con che tipo di ASIC hai lavorato?