Johdatus sovelluskohtaiseen integroituun piiriin (ASIC)

Jokapäiväisessä elämässämme kohtaamme erilaisia ​​elektronisia laitteita. Yksi tekniikoista, joka tuotti vallankumouksen elektroniikan tuotannossa, on Integroitu virtapiiri “. Tämä tekniikka pienensi elektronisten tuotteiden kokoa lisäämällä tiheyttä logiikkaportit per siru. Nykyään meillä on erilaisia ​​tyyppejä ja kokoonpanoja IC: itä. Kun havaitsemme ympärillämme, havaitsemme, että joitain IC: itä voidaan käyttää vain yhteen tiettyyn sovellukseen, kun taas joitain IC: itä voidaan ohjelmoida uudelleen ja käyttää eri sovelluksiin. Tämäntyyppiset IC: t nimetään ASICiksi. Mutta miten ne eroavat toisistaan? Kuinka ne on mahdollista ohjelmoida uudelleen? Miksi joitain IC: itä ei voida ohjelmoida uudelleen? Hyppää etsimään vastauksia näihin kysymyksiin.

Mikä on ASIC (sovelluskohtainen integroitu piiri)?

ASIC koko lomake on Sovelluskohtainen integroitu piiri. Nämä piirit ovat sovelluskohtaisia. räätälöityjä IC: itä tietylle sovellukselle. Nämä suunnitellaan yleensä juuritasolta tietyn sovelluksen vaatimusten perusteella. Jotkut perusasetuksista esimerkkejä sovelluskohtaisista integroiduista piireistä ovat siruja, joita käytetään leluissa, siru, jota käytetään muistin ja mikroprosessorin liitäntään jne. ... Näitä pelimerkkejä voidaan käyttää vain siihen sovellukseen, jota varten ne on suunniteltu. Oletettavasti nämä tyypit IC: t ovat edullisia vain niille tuotteille, joilla on suuri tuotanto. Koska ASIC: t on suunniteltu juuritasolta, niillä on korkeat kustannukset ja niitä suositellaan vain suurten volyymien tuotantoon.

ASIC: n tärkein etu on pienempi sirun koko, koska suuri määrä piirin toiminnallisia yksiköitä on rakennettu yhdelle sirulle. Moderni ASIC sisältää yleensä 32-bittisen mikroprosessori , muistilohkot, verkkopiirit jne. ... Tällainen ASIC-tyyppi tunnetaan nimellä Järjestelmä sirulla . Valmistusteknologian kehittyessä ja suunnittelumenetelmien tutkimuksen lisääntyessä kehitetään eri tasoilla räätälöitäviä ASIC-koneita.

ASIC-tyypit

ASIC: t luokitellaan sen mukauttamisen määrän perusteella, jonka ohjelmoija saa tehdä sirulla.

ASIC-tyyppityypit

Täysi mukautettu

Tämän tyyppisessä suunnittelussa kaikki logiikkasolut on räätälöity tiettyä sovellusta varten. suunnittelijan on erityisesti tehtävä piirien logiikkasolut. Kaikki yhdistämismaskikerrokset on räätälöity. Joten ohjelmoija ei voi muuttaa sirun yhteyksiä ja ohjelmoinnin aikana hänen on oltava tietoinen piirin ulkoasusta.

Yksi parhaista esimerkkeistä täysin mukautetusta ASIC: stä on mikroprosessori. Tämän tyyppinen räätälöinti antaa suunnittelijoille mahdollisuuden rakentaa useita analogisia piirejä, optimoituja muistisoluja tai mekaanisia rakenteita yhdelle mikropiirille. Tämä ASIC on kallista ja erittäin aikaa vievää valmistuksessa ja suunnittelussa. Näiden mikropiirien suunnittelu kestää noin kahdeksan viikkoa.

Nämä on yleensä tarkoitettu korkean tason sovelluksiin. Maksimaalinen suorituskyky, minimoitu alue ja suurin joustavuus ovat Full Custom -suunnittelun pääpiirteitä. Lopulta riski on suunnittelussa suuri, koska käytettyjä logiikkakennoja, vastuksia jne. Ei käytetä.

Semi-Custom

Tämän tyyppisessä suunnittelussa logiikkasolut otetaan tavallisista kirjastoista, ts. niitä ei valmisteta käsityönä, kuten täysin mukautetussa suunnittelussa. Jotkut naamiot ovat räätälöityjä, kun taas jotkut otetaan ennalta suunnitellusta kirjastosta. Kirjastosta otettujen logiikkasolujen tyypin ja yhteenliitäntöjen sallitun räätälöinnin määrän perusteella nämä ASIC: t on jaettu kahteen tyyppiin - vakio solupohjainen ASIC ja Gate Array -pohjainen ASIC.

1). Tavallinen solupohjainen ASIC

Näiden IC: n tunteminen antaa meille ensin ymmärtää, mitä tavallinen solukirjasto tarkoittaa. Jotkut logiikkasolut, kuten JA portit, tai portit , multiplekserit, sandaalit suunnittelijat ovat suunnitelleet erilaisia ​​kokoonpanoja käyttäen, standardoineet ja tallentaneet kirjaston muodossa. Tämä kokoelma tunnetaan nimellä standardi solukirjasto.

Tavallinen solupohjainen ASIC

Tavallisissa solupohjaisissa käytetään näiden standardikirjastojen ASIC-logiikkasoluja. ASIC-sirulla vakiokennoalue tai joustava lohko koostuu vakiosoluista, jotka on järjestetty rivien muodossa. Näiden joustavien lohkojen lisäksi sirulla käytetään megasoluja, kuten mikrokontrollereita tai jopa mikroprosessoreita. Nämä megasolut tunnetaan myös nimellä megafunktiot, järjestelmätason makrot, kiinteät lohkot ja toiminnalliset vakiolohkot.

Yllä oleva kuva edustaa standardisolun ASIC: ta, jolla on yksi vakio solualue ja neljä kiinteää lohkoa. Maskikerrokset räätälöidään. Täällä suunnittelija voi sijoittaa vakiosolut mihin tahansa muottiin. Nämä tunnetaan myös nimellä C-BIC.

2). Gate Array -pohjainen ASIC

Tämäntyyppiset semi-custom ASIC -asetukset on määritelty ennalta transistorit piikiekolla. suunnittelija ei voi muuttaa suuttimessa olevien transistorien sijaintia. Perusryhmä on porttiryhmän ennalta määrätty malli ja perussolu on perussarjan pienin toistuva solu.

Suunnittelija on vastuussa vain transistoreiden välisen liitännän muuttamisesta käyttämällä muotin muutamia ensimmäisiä metallikerroksia. Suunnittelija valitsee gate array -kirjastosta. Näitä kutsutaan usein nimellä Masked Gate Array. Gate Array -pohjaiset ASIC: t ovat kolmen tyyppisiä. Ne ovat kanavoitu porttiryhmä, kanava vähemmän porttirakenne ja strukturoitu porttiryhmä.

a) .Kanavoitu porttiryhmä

Tämän tyyppisessä porttiryhmässä johdotustila jätetään transistoririvien väliin. Nämä ovat samanlaisia ​​kuin CBIC, koska tilaa jätetään lohkojen väliseen yhteenliittämiseen, mutta kanavoiduissa porttiryhmissä solurivit ovat kiinteitä, kun taas CBIC: ssä tätä tilaa voidaan säätää.

Kanavoitu porttiryhmä

Jotkut tämän porttiryhmän pääominaisuuksista ovat - tämä porttiryhmä käyttää ennalta määritettyjä rivejä rivien välillä yhdistämistä varten. Valmistusaika on kaksi päivää tai kaksi viikkoa.

b). Channel Less Gate Array

Kanavoidun porttiryhmän mukaisesti ei ole jäljellä vapaata tilaa reitittämiseen solurivien välillä. Tässä reititys tapahtuu porttiryhmän solujen yläpuolelta, koska voimme mukauttaa metallin 1 ja transistoreiden välisen yhteyden. Reititystä varten jätämme transistorit makaamaan reitityksen polulla käyttämättä. Valmistuksen läpimenoaika on noin kaksi viikkoa.

Channel Less Gate Array

c). Rakenteinen porttirakenne

Tämän tyyppisessä porttiryhmässä on upotettu lohko sekä porttirivirivit, kuten yllä on esitetty. Strukturoidulla porttiryhmällä on suurempi CBIC-alueen tehokkuus. Kuten naamioidun porttiryhmän kohdalla, nämä ovat halvempia ja nopeampi. Tässä upotetun toiminnon kiinteä koko rajoittaa strukturoitua porttiryhmää. Onko tämä porttiryhmä esimerkiksi alue, joka on varattu 32 kt bittiselle ohjaimelle, mutta jos sovelluksessa vaaditaan vain alue 16 k bittiselle ohjaimelle, jäljelle jäävä alue hukkaan. kaikilla on räätälöity yhteys.

Rakenteinen porttirakenne

Ohjelmoitava ASIC

Ohjelmoitavia ASIC-tiedostoja on kahta tyyppiä. Ne ovat PLD ja FPGA

PLD: t (ohjelmoitavat logiikkalaitteet)

Nämä ovat helposti saatavilla olevia vakiosoluja. Voimme ohjelmoida PLD: n räätälöityyn osaan sovellusta, joten niitä pidetään ASIC: na. Voimme käyttää erilaisia ​​menetelmiä ja ohjelmistoja PLD: n ohjelmointiin. Nämä sisältävät säännöllisen matriisin logiikkasoluista, yleensä ohjelmoitavan matriisilogiikan, sekä kiikarit tai salvat. Tässä yhteydessä yhteenliitännät ovat läsnä yhtenä suurena lohkona.
PROM on yleinen esimerkki tästä IC: stä. EPROM käyttää MOS-transistoreita toisiinsa, joten voimme ohjelmoida sen käyttämällä suurjännitettä. PLD: llä ei ole räätälöityjä logiikkasoluja tai yhteys. Näillä on nopea suunnittelu.

Ohjelmoitavat logiikkalaitteet

FPGA: t (kentän ohjelmoitava porttiryhmä)

Jos PLD: llä on ohjelmoitava matriisilogiikka logiikkasoluina FPGA on porttirakenteen kaltainen järjestely. PLD: t ovat pienempiä ja vähemmän monimutkaisia ​​kuin FPGA: t. Joustavuutensa ja ominaisuuksiensa vuoksi FPGA korvaa TTL mikroelektronisissa järjestelmissä. Suunnittelu on vain muutama tunti.

Kentällä ohjelmoitava porttiryhmä

Ydin koostuu ohjelmoitavista peruslogiikkasoluista, jotka voivat suorittaa molemmat yhdistelmä- ja peräkkäinen logiikka . Voimme ohjelmoida logiikkasoluja ja yhdistää yhteyden joillakin menetelmillä. Peruslogiikkasoluja ympäröi ohjelmoitavien keskinäisten yhteyksien matriisi ja ydintä ympäröivät ohjelmoitavat I / O-solut.

FPGA koostuu yleensä konfiguroitavista logiikkalohkoista, konfiguroitavista I / O-lohkoista, ohjelmoitavista liitännöistä, kellopiireistä, ALU: sta, muistista, dekoodereista.

Olemme nähneet käytettävissä olevat erilaiset ASIC-tyypit. Ymmärretään nyt, kun kaikki nämä mukautukset ja yhteenliitännät tehdään valmistuksen aikana.

Sovelluskohtaisen integroidun piirin (ASIC) suunnittelun kulku

ASIC: n suunnittelu tapahtuu vaihe vaiheelta. Tämä vaiheiden järjestys tunnetaan nimellä ASIC-suunnittelu Virtaus. Suunnitteluvirran vaiheet on esitetty alla olevassa vuokaaviossa.

ASIC-suunnittelun kulku

Suunnittelukohta: Tässä vaiheessa suunnittelun mikroarkkitehtuuri toteutetaan laitteistokuvauskielillä, kuten VHDL, Verilog ja System Verilog.
Logiikan synteesi: Tässä vaiheessa laaditaan käytettävä logiikkasolujen, liitäntätyyppien ja kaikkien muiden sovelluksen edellyttämien osien verkko HDL: n avulla.
Järjestelmän osiointi: Tässä vaiheessa jaetaan suurimmaksi osaksi muotti ASIC-kokoisiksi paloiksi.
Asettelua edeltävä simulointi: Tässä vaiheessa tehdään simulaatiotesti sen tarkistamiseksi, onko suunnittelussa virheitä.
Pohjapiirros: Tässä vaiheessa sirulle on järjestetty netlist-lohkot.
Sijoitus: Tässä vaiheessa solujen sijainti lohkon sisällä päätetään.
Reititys: Tässä vaiheessa lohkojen ja solujen välille muodostetaan yhteydet. Uuttaminen: Tässä vaiheessa määritetään yhteenliittämisen sähköiset ominaisuudet, kuten vastusarvo ja kapasitanssiarvo.
Asettelun jälkeinen simulointi: Ennen mallin toimittamista valmistusta varten tämä simulaatio tehdään sen tarkistamiseksi, toimiiko järjestelmä oikein yhdessä yhteenliitetyn kuormituksen kanssa.

Esimerkkejä ASIC: stä

Tunnettuamme ASIC: n erilaiset ominaisuudet katsotaan nyt joitain esimerkkejä ASIC: stä.
Tavallinen solupohjainen ASIC: LCB 300k, 500k LSI Logic Company -yhtiöltä, SIG1, 2, 3 perhettä ABB Hafo Inc. -yhtiöltä, GCS90K, GCS Plessey.
Gate Array -tuotteet: AUA20K Harris Semiconductorilta, SCX6Bxx National Semiconductorsilta, TGC / TEC-perheet Texas Instrumentsilta.
PLD-tuotteet: PAL-tuoteperhe kehittyneitä mikrolaitteita, GAL-perhe Philips Semiconductorsilta, XC7300 ja EPLD XILINXiltä.
FPGA-tuotteet: XILINXin XC2000, XC3000, XC4000, XC5000 -sarja, QuickLogicin pASIC1, Alteran MAX5000.

ASIC: n sovellukset

ASIC: n ainutlaatuisuus on mullistanut elektroniikan valmistustavan. Nämä pienensivät suuttimien kokoa samalla kun kasvattivat logiikkaportit per siru. ASIC: t ovat yleensä suositeltavia korkean tason sovelluksissa. ASIC-sirua käytetään IP-ytiminä satelliiteille, ROM-valmistukselle, Mikrokontrolleri ja erilaiset sovellukset lääketieteen ja tutkimuksen aloilla. Yksi ASICin trendisovelluksista on BITCOIN MINER.

Bitcoin Miner

Kryptovaluutan louhinta vaatii suurempaa tehoa ja nopeaa laitteistoa. Yleiskäyttöinen CPU ei pysty tarjoamaan niin suurta laskentakapasiteettia suurella nopeudella. ASIC-bitcoin-kaivostyöntekijät ovat siruja, jotka on rakennettu erityisesti suunniteltuihin emolevyihin ja virtalähteet , rakennettu yhdeksi yksiköksi. Se on tarkoituksellisesti suunniteltu laitteisto aina sirutasoon asti bitcoinin louhintaan. Nämä yksiköt voivat suorittaa vain yhden kryptovaluutan algoritmin. Eri tyyppiselle kryptovaluutalle oletettavasti vaaditaan toinen kaivosmies.

ASICin edut ja haitat

ASIC: n edut Sisällytä seuraavat.

• • ASIC: n pieni koko tekee siitä suuren valinnan hienostuneille suuremmille järjestelmille.

• • Koska suuri määrä piirejä rakennetaan yhdelle sirulle, tämä aiheuttaa nopeita sovelluksia.

• • ASIC: lla on pieni virrankulutus.

• • Koska ne ovat sirun järjestelmä, piirit ovat läsnä rinnakkain. Joten erilaisten piirien liittämiseen tarvitaan hyvin vähän reititystä.
  • ASIC: lla ei ole ajoitusongelmia ja tuotannon jälkeisiä määrityksiä.

ASIC: n haitat Sisällytä seuraavat.

• • Koska nämä ovat räätälöityjä siruja, ne tarjoavat vähän joustavuutta ohjelmointiin.

• • Koska nämä sirut on suunniteltava juuritasolta, ne ovat kalliita yksikköä kohden.
  • ASIC: lla on suurempi aika markkinoiden marginaaliin.

ASIC vs FPGA

ASIC: n ja FPGA: n välinen ero sisältää seuraavat.

Näin ollen kyse on yleiskatsauksesta Sovelluskohtainen integroitu piiri . ASIC: n keksintö on aiheuttanut valtavan muutoksen elektroniikan käyttötavassa. Käytämme ASICia jokapäiväisessä elämässämme erilaisten sovellusten muodossa. Mitä ASIC-sovelluksia olet törmännyt? Minkä tyyppisen ASICin kanssa olet työskennellyt?