Bevezetés az alkalmazásspecifikus integrált áramkörbe (ASIC)

A mindennapi életben különféle típusú elektronikus kütyükkel találkozunk. Az egyik technológia, amely forradalmat hozott az elektronika gyártásában, a „ Integrált áramkör “. Ez a technológia csökkentette az elektronikus termékek méretét a sűrűség növelésével logikai kapuk chipenként. Ma különböző típusú és konfigurációs IC-k vannak. Amint megfigyelhetjük, azt találjuk, hogy egyes IC-k csak egy adott alkalmazáshoz használhatók, míg egyes IC-k átprogramozhatók és felhasználhatók különféle alkalmazásokhoz. Az ilyen típusú IC-k ASIC-k. De miben különböznek egymástól? Hogyan lehet átprogramozni őket? Miért nem lehet néhány IC-t átprogramozni? Ugorjon tovább, és találjon választ ezekre a kérdésekre.

Mi az ASIC (alkalmazásspecifikus integrált áramkör)?

Az ASIC teljes formája Alkalmazás-specifikus integrált áramkör. Ezek az áramkörök alkalmazásspecifikusak, azaz. személyre szabott IC-k egy adott alkalmazáshoz. Ezeket rendszerint gyökérszinttől tervezik az adott alkalmazás követelményei alapján. Néhány alapvető alkalmazás-specifikus integrált áramkör példák a játékokban használt chipek, a memória és a mikroprocesszor összekapcsolására használt chipek stb. ... Ezek a chipek csak arra az egyetlen alkalmazásra használhatók, amelyre ezeket tervezték. Feltehetően ezek típusú IC-k csak azoknál a termékeknél előnyösek, amelyek nagy gyártási futtatással rendelkeznek. Mivel az ASIC-eket a gyökérszinttől kezdve tervezték, magas költségekkel rendelkeznek, és csak nagy volumenű produkciókhoz ajánlottak.

Az ASIC fő előnye a csökkentett chipméret, mivel egy áramkör nagyszámú funkcionális egységét építik fel egyetlen chip fölé. A modern ASIC általában tartalmaz egy 32 bites verziót mikroprocesszor , memória blokkok, hálózati áramkörök stb. ... Az ilyen típusú ASIC-eket úgy hívják, hogy Rendszer a chipen . A gyártástechnológia fejlődésével és a tervezési módszerek fokozott kutatásával az ASIC-k különböző szintű testreszabással kerülnek kifejlesztésre.

Az ASIC típusai

Az ASIC-eket a programozó által egy chipen elvégezhető testreszabás mennyisége alapján kategorizálják.

Az ASIC típusai

Teljes egyéni

Ebben a típusú konstrukcióban az összes logikai cella egyedi alkalmazásokhoz készült. a tervezőnek külön kell elkészítenie az áramkörök logikai celláit. Az összekapcsoláshoz használt összes maszk réteg testreszabott. Tehát a programozó nem tudja megváltoztatni a chip összekapcsolásait, és a programozás során tisztában kell lennie az áramkör elrendezésével.

A Full custom ASIC egyik legjobb példája egy mikroprocesszor. Ez a fajta testreszabás lehetővé teszi a tervezők számára, hogy egyetlen IC-re különféle analóg áramköröket, optimalizált memóriacellákat vagy mechanikai struktúrákat építsenek. Ez az ASIC költséges és nagyon időigényes a gyártás és a tervezés során. Az IC-k megtervezésének ideje körülbelül nyolc hét.

Ezeket általában magas szintű alkalmazásokra szánják. A maximális teljesítmény, a minimális terület és a legnagyobb rugalmasság a Full Custom Design fő jellemzői. Végül a kockázat nagy a tervezésnél, mivel a logikai cellákat, az ellenállást stb. Nem használják fel.

Félig egyedi

Az ilyen típusú tervezésben a logikai cellákat standard könyvtárakból veszik át, azaz. nem kézművesek, mint a Teljes egyedi tervezésnél. Egyes maszkok testreszabhatók, míg mások az előre megtervezett könyvtárból származnak. A könyvtárból vett logikai cellák típusa és az összekapcsolásokhoz megengedett testreszabás mennyisége alapján ezeket az ASIC-eket két típusra osztják - Standard cellalapú ASIC és Gate Array alapú ASIC.

1). Normál cellalapú ASIC

Ezeknek az IC-knek a megismerése érdekében először meg kell értenünk, mit jelent a standard sejtkönyvtár. Néhány logikai cella, mint pl ÉS kapuk, VAGY kapuk , multiplexerek, papucs tervezők különböző konfigurációk segítségével előre megtervezik, szabványosítják és könyvtár formájában tárolják. Ez a gyűjtemény standard sejtkönyvtár néven ismert.

Standard Cell-alapú ASIC

A szokásos sejtalapú ASIC logikai cellákat használják ezekből a standard könyvtárakból. Az ASIC chipen a standard cellaterület vagy a rugalmas blokk sorokba rendezett standard cellákból áll. Ezekkel a rugalmas blokkokkal együtt mega sejteket, például mikrokontrollereket vagy akár mikroprocesszorokat is használnak chip-en. Ezeket a mega sejteket Mega függvényekként, rendszerszintű makrókként, fix blokkokként, funkcionális standard blokkokként is ismerjük.

A fenti ábra egy standard cellás ASIC-t ábrázol, egyetlen standard cellaterülettel és négy rögzített blokkkal. A maszk rétegek testreszabhatók. Itt a tervező szabványos cellákat helyezhet el a kockákon bárhol. Ezek más néven C-BIC.

2). Gate Array alapú ASIC

Az ilyen típusú félig egyedi ASIC előre definiált tranzisztorok a szilícium ostyán .vagyis. a tervező nem változtathatja meg a szerszámon lévő tranzisztorok elhelyezését. Az alaptömb a kaputömb előre definiált mintája, az alapcella pedig az alaptömb legkisebb ismétlődő cellája.

A tervező csak azért felel, hogy megváltoztassa a tranzisztorok közötti összeköttetést a szerszám első néhány fémrétegének felhasználásával. A tervező a kaputömb könyvtárból választ. Ezeket gyakran Masked Gate Array-nek hívják. A Gate Array alapú ASIC háromféle. Csatornázott kaputömb, Csatorna nélküli kaputömb és strukturált kaputömb.

a) .Csatornázott kaputömb

Ebben a típusú kaputömbben huzalozási hely marad a tranzisztorsorok között. Ezek hasonlóak a CBIC-hez, mivel a blokkok közötti összekapcsoláshoz van hely, de a csatornázott kaputömbben a cellák magassága rögzített, míg a CBIC-ben ez a tér beállítható.

Csatornázott kaputömb

A kaputömb néhány fő jellemzője: ez a kaputömb előre meghatározott tereket használ a sorok között az összekapcsoláshoz. A gyártási idő két nap vagy két hét.

b). Csatorna nélküli kaputömb

Nincs több szabad hely a cellasorok közötti útválasztáshoz, ahogyan azt a csatornázott kaputömbben láthatjuk. Itt az útválasztás a kaputömb celláinak felső részéről történik, mivel testre szabhatjuk a fém 1 és a tranzisztorok közötti kapcsolatot. Az útválasztáshoz használaton kívül hagyjuk a tranzisztorokat az útválasztás útjában. A gyártási átfutási idő körülbelül két hét.

Csatorna nélküli kaputömb

c). Strukturált kaputömb

Az ilyen típusú kaputömbnek van egy beágyazott blokkja, a kaputömb soraival együtt, a fentiek szerint. A strukturált kaputömbnek nagyobb a CBIC területi hatékonysága. A Masked gate tömbhöz hasonlóan ezek is alacsonyabb költségekkel és gyorsabb átfordítással rendelkeznek. Itt a beágyazott függvény fix mérete korlátozza a strukturált kaputömböt. Például ez a kaputömb tartalmaz-e egy 32k bites vezérlő számára fenntartott területet, de ha egy alkalmazásban csak egy 16k bites vezérlőre van szükségünk, akkor a fennmaradó terület kárba vesz. Az összes kaputömb átfutási ideje két nap és két hét között van, és mindegyik rendelkezik testreszabott összekapcsolással.

Strukturált kaputömb

Programozható ASIC

Kétféle programozható ASIC létezik. PLD és FPGA

PLD-k (programozható logikai eszközök)

Ezek a standard cellák, amelyek könnyen elérhetőek. Programozhatunk egy PLD-t az alkalmazás egy részének testreszabására, ezért ASIC-nek tekintik őket. Különböző módszereket és szoftvereket használhatunk a PLD programozására. Ezek tartalmazzák a logikai cellák rendszeres mátrixát, általában programozható tömblogikát, papucsokkal vagy reteszekkel együtt. Itt az összekapcsolódások egyetlen nagy blokkként vannak jelen.
A PROM gyakori példa erre az IC-re. Az EPROM MOS tranzisztorokat használ összekapcsolásként, így nagyfeszültség alkalmazásával programozni tudjuk. A PLD-k nem rendelkeznek testreszabott logikai cellákkal és nem kapcsolódnak egymáshoz. Ezek gyors tervezési fordulattal bírnak.

Programozható logikai eszközök

FPGA-k (terepi programozható kaputömb)

Ahol a PLD-k programozható tömblogikával rendelkeznek, mint logikai cellák FPGA rendelkezik kaputömbszerű elrendezéssel. A PLD-k kisebbek és kevésbé összetettek, mint az FPGA-k. Rugalmassága és jellemzői miatt az FPGA felváltja TTL mikroelektronikai rendszerekben. A tervezési fordulat csak néhány óra.

Terepi programozható kaputömb

A mag programozható alapvető logikai cellákból áll, amelyek mindkettőt képesek végrehajtani kombinációs és szekvenciális logika . Programozhatunk logikai cellákat és összekapcsolhatunk néhány módszert. Az alapvető logikai cellákat a programozható összekapcsolások mátrixa veszi körül, a magot pedig programozható I / O cellák veszik körül.

Az FPGA általában konfigurálható logikai blokkokból, konfigurálható I / O blokkokból, programozható összekapcsolásokból, óraáramkörökből, ALU-ból, memóriából, dekóderekből áll.

Láttuk a rendelkezésre álló ASIC különféle típusokat. Most értsük meg, mikor történik meg ezek a testreszabások és összekapcsolások a gyártás során.

Alkalmazásspecifikus integrált áramkör (ASIC) tervezési folyamat

Az ASIC tervezése lépésről lépésre történik. A lépések ezen sorrendje néven ismert ASIC Design Folyam. A tervezési folyamat lépéseit az alábbi folyamatábra mutatja.

ASIC Design Flow

Tervezési bejegyzés: Ebben a lépésben a tervezés mikroarchitektúrája olyan hardverleíró nyelvek segítségével valósul meg, mint a VHDL, a Verilog és a System Verilog.
Logikai szintézis: Ebben a lépésben elkészítik a felhasználandó logikai cellák, az összekapcsolások típusainak és az alkalmazáshoz szükséges összes többi résznek a listáját HDL segítségével.
Rendszer particionálás: Ebben a lépésben a nagyméretű szerszámot ASIC méretű darabokra osztjuk.
Elrendezés előtti szimuláció: Ebben a lépésben egy szimulációs tesztet végeznek annak ellenőrzésére, hogy a terv tartalmaz-e hibát.
Alaprajz: Ebben a lépésben a netlist blokkjai vannak elrendezve a chipen.
Elhelyezés: Ebben a lépésben eldől a cellák helye a blokkon belül.
Útvonalválasztás: Ebben a lépésben összeköttetések húzódnak a blokkok és a cellák között. Kivonás: Ebben a lépésben meghatározzuk az összekapcsolás elektromos tulajdonságait, például az ellenállás értékét és a kapacitás értékét.
Elrendezés utáni szimuláció: Mielőtt benyújtanák a modellt a gyártáshoz, ezt a szimulációt meg kell vizsgálni annak ellenőrzésére, hogy a rendszer megfelelően működik-e az összekapcsolási terheléssel együtt.

Példák az ASIC-re

Miután megismerte az ASIC különböző jellemzőit, nézzünk meg néhány példát az ASIC-re.
Normál cellalapú ASIC: LCB 300k, 500k az LSI Logic Company-tól, SIG1, 2, 3 család az ABB Hafo Inc.-től, a GCS Plessey GCS90K.
Gate Array termékek: AUA20K a Harris Semiconductor-tól, SCX6Bxx a National Semiconductors-tól, TGC / TEC családok a Texas Instruments-től.
PLD termékek: PAL Advanced Micro Devices, GAL család a Philips Semiconductors-tól, XC7300 és EPLD a XILINX-től.
FPGA termékek: XC2000, XC3000, XC4000, XC5000 sorozat a XILINX-től, pASIC1 a QuickLogic-tól, MAX5000 az Alterától.

Az ASIC alkalmazásai

Az ASIC egyedisége forradalmasította az elektronika gyártásának módját. Ezek csökkentették a szerszám méretét, miközben növelték a logikai kapuk chipenként. Az ASIC-eket általában előnyben részesítik a magas szintű alkalmazásoknál. Az ASIC chipet IP-magként használják műholdak, ROM gyártás, Mikrovezérlő és különféle típusú alkalmazások az orvosi és kutatási szektorokban. Az ASIC egyik felkapott alkalmazása a BITCOIN MINER.

Bitcoin Miner

A kriptovaluta bányászata nagyobb energiát és nagy sebességű hardvert igényel. Az általános célú CPU nem képes ilyen nagy számítási kapacitást biztosítani nagy sebességgel. Az ASIC bitcoin bányászok speciálisan kialakított alaplapokba beépített chipek és áramforrás , egyetlen egységbe építve. Ez egy szándékosan megtervezett hardver egészen a chipszintig a bitcoin bányászatához. Ezek az egységek csak egyetlen kriptovaluta algoritmusát hajthatják végre. Vélhetően egy másik típusú kriptovaluta esetében másik bányászra van szükségünk.

Az ASIC előnyei és hátrányai

A az ASIC előnyei a következőket tartalmazzák.

• • Az ASIC kis mérete nagy választékot kínál kifinomult, nagyobb rendszerek számára.

• • Mivel nagyszámú áramkör épül egyetlen chip fölé, ez nagy sebességű alkalmazásokat okoz.

• • Az ASIC alacsony fogyasztású.

• • Mivel ők a rendszer a chipen, az áramkörök egymás mellett vannak. Tehát nagyon minimális útválasztásra van szükség a különféle áramkörök csatlakoztatásához.
  • Az ASIC-nek nincsenek időzítési problémái és a gyártás utáni konfiguráció.

A az ASIC hátrányai a következőket tartalmazzák.

• • Mivel ezek testreszabott chipek, alacsony rugalmasságot biztosítanak a programozáshoz.

• • Mivel ezeket a chipeket a gyökérszinttől kell megtervezni, ezek egységenkénti költsége magas.
  • Az ASIC-nek nagyobb az ideje a piaci árrés elérésére.

ASIC vs FPGA

Az ASIC és az FPGA közötti különbség a következőket tartalmazza.

Így itt csak a Alkalmazás-specifikus integrált áramkör . Az ASIC találmánya hatalmas változást okozott az elektronika használatában. Az ASIC-t mindennapi életünkben különféle alkalmazások formájában alkalmazzuk. Az ASIC melyik alkalmazásával találkozott? Milyen típusú ASIC-szel dolgozott együtt?