什么是ASIC?

作者:admin  来源:本站  发布时间:2021-06-07  访问量:1430

2021 年 6 月,谷歌用自产芯片替换了数百万个英特尔的 CPU。该文章提供了与新的ASIC的开发概述通过谷歌团队的帮助,以优化YouTube的服务器的性能。定制的 ASIC(芯片)而不是通用 ASIC (CPU) 是 Google 专门设计的,可以更快地执行一些特定的任务。在本文中,我们将探索 ASIC 的世界并了解它们的类型和优势。

什么是ASIC?

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图 1 – ASIC 示例

专用集成电路,简称 ASIC,是为特定用途或应用而创建的芯片,而不是用于通用用途。它们通常使用硅技术制造。由于它们的独特性,它们有多种口味和类型。

ASIC 可以通过多种方式制造。它们可以从头开始创建,以满足非常特定的需求或应用,方法是创建具有所有所需组件的单个 IC(由此产生的 IC 称为SoC 或片上系统)。ASIC 通常使用硬件描述语言(如Verilog或VHDL)进行编码。

在我们深入研究 ASIC 技术并找出其优点和可能的缺点之前,我们必须回顾历史并了解这一切的起点。

ASIC 的历史

早期,ASIC 开始是使用门阵列技术的电路,1967 年通过飞兆半导体公司的 Micromatrix 系列引入了双极 DTL(二极管-晶体管逻辑)和 TTL(晶体管-晶体管逻辑)门阵列。

在 CMOS(互补金属氧化物半导体)技术上市后,ASIC 的尺寸开始增大,1974 年 Robert Lipp 为国际微电路公司开发了第一个 CMOS 门阵列。

MOS 技术也在 1970 年代被 Fairchild 和 Motorola 标准化,当时 Micromosaic 和 Polycell 标准单元被创建。这项技术后来才被 VLSI Technology 从 1979 年开始成功商业化,而 LSI Logic 从 1981 年开始成功商业化。

1981 年通过 ZX81 8 位芯片和 1982 年通过 ZX Spectrum 个人计算机为大众市场用户引入了成功的商业可行应用程序。

在这个时期,门阵列由几千个门组成,现在被称为中规模集成。通过改变金属和/或多晶硅互连掩模来完成定制。

ASIC 变体

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图 2 – ASIC 的类型

至于ASIC的制造,可以选择三种路线:标准单元设计、门阵列/半定制设计和全定制设计。随着我们从标准单元设计转向完全定制化设计,创建和制造 ASIC 所需的材料成本和时间急剧增加。在流程开始之前必须考虑到这一点,我们需要考虑的一些因素是最终产品的商业价值、对芯片的实际要求以及该解决方案是否是解决方案的明确答案。问题与否。

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图 3 – 标准单元设计 ASIC 的设计流程

标准单元设计使用 HDL(硬件描述语言,如 Verilog 和 VHDL)来描述所需的逻辑,然后通过一系列步骤,最终的 ASIC 是制造商。

制作标准单元设计 ASIC 的通常阶段是:

  1. 需求工程,这是需求分析的逻辑延续,由工程师团队完成,他们浓缩了所需的所需功能。

  2. RTL(寄存器传输级)设计。在此阶段,一组设计人员编写 ASIC 逻辑所需的 HDL 代码。

  3. 功能验证。使用一套测试方法,逻辑在写入 ASIC 之前进行验证,因为生成的 IC 不再是可编程的。逻辑错误的代价非常高,需要避免,因此绝对建议进行完整的测试覆盖。

  4. 逻辑综合。在这一步中,RTL 设计被赋予生命,被打印到标准单元和它们之间的连接中,所有这些都形成了门级网表。

  5. 放置。标准单元被放置在它们在 IC 上的相应位置,例如最佳放置。通过使用一些特定的约束来确保最优性。

  6. 路由。电子布线工具用于将网表转换为足够优化的电气连接网络,该网络连接所有指定的标准单元。结果通常是一个文件,可以作为光掩模打印出来,然后用于在晶圆厂或代工厂蚀刻实际的物理 IC。

  7. 登出。完成最终布局后,将进行一系列计算以确定寄生电阻和电容并确定延迟信息(使用静态时序分析)。当所有计算完成并验证有效时,给出签收并且可以将光掩模发送到晶圆厂进行生产。

这些步骤形成了所谓的ASIC 设计流程,通过坚持这一点,最终设备将始终正确实施,除非在制造代工厂或运输过程中引入缺陷。

至于门阵列和半定制设计,它具有超出标准单元的某些优势,但代价是设计和开发周期更长。半定制方法是快速设计时间和性能之间的折衷。

今天,门阵列 ASIC 通常以结构化 ASIC 的形式出现,其中包括一个大型 CPU、数字信号处理器、外围设备、标准接口、静态 RAM 和一个可重新配置/可编程的未提交逻辑块。

全定制设计通常是成本最高的 ASIC 开发过程,因为设计必须从半导体级别开始,并使用 HDL 来描述 ASIC 的每一层。英特尔、AMD 和 Nvidia 等处理器设计人员使用这种方法来创建进一步优化的 ASIC。

ASIC 如何更好?

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图 4 – ASIC 的优缺点

ASIC 相对于标准 IC 的优势在于尺寸更小、在较低功率要求下性能更好、IP 保护以及大规模制造成本更低。但也有缺点,例如开发 ASIC 的前期成本增加以及设计和测试难度增加,但是通过在投入大量资金之前对您想到的产品进行适当的市场分析,可以很好地缓解这些问题。给它的资金总额。

标准单元 ASIC 是三种主要类型 ASIC 中最便宜的,通常是半定制设计 IC 和全定制 IC 之间的中介。它们的周转时间很快,但缺乏全定制设计芯片的细节和精度。

半定制 ASIC 稍微贵一些,但可以有更多的逻辑门。在路由方面会出现困难,因为一些互连可能需要迁移,这会增加所需的阵列,进一步推高成本。此外,这些 IC 永远无法使用 100% 的可用硅晶片。

全定制 ASIC 是最著名的,并且有很大的优点和缺点。它们可以使用更少的面积(因此组件成本更低),提供更高的性能并集成其他先前测试过的组件,如微处理器内核,形成一个 SoC。这种设计 ASIC 的方法的缺点是制造和设计时间增加、工程成本增加、CAD(计算机辅助设计)和 EDA(电子设计自动化)系统的复杂性增加,需要更有资格和经验的设计师团队和工程师。

何时以及如何使用 ASIC?

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图 5 – ASIC 用例

鉴于制造 ASIC 的方式多种多样,您需要能够选择最佳技术来为您的项目或产品提供动力。

对于小批量生产系列或原型,ASIC 在经济上不可行,因为工程成本极高。因此,建议将 ASIC 用于大批量生产系列,这样可以降低许多设备的成本。

另一个非常适合 ASIC 的应用是使现有设备更小和/或更节能和/或更高性能。这就是设备不断变小的原因,因为 ASIC 越来越深入地渗透市场并推动所有设备的小型化,从提供汽车和电话功能的芯片到为冰箱或自动咖啡供电的芯片制作者。

如果您担心其他公司或个人窃取您的设计,ASIC 是确保您的设计永远保密的好方法,因为 ASIC 的实际设计可防止 IP 被盗。例如,对英特尔处理器进行逆向工程非常困难。因此,尽管已经上市 50 多年,但没有人设法弄清楚如何创建其设计的精确副本。