Inleiding tot toepassingsspecifieke geïntegreerde schakelingen (ASIC)

In ons dagelijks leven komen we verschillende soorten elektronische gadgets tegen. Een van de technologieën die een revolutie teweeg hebben gebracht in de productie van elektronica is “ Geïntegreerd circuit ​Deze technologie verkleinde de omvang van elektronische producten door de dichtheid van te vergroten logische poorten per chip. Tegenwoordig hebben we verschillende soorten en configuraties van IC's. Zoals we overal zien, zien we dat sommige IC's alleen voor één specifieke toepassing kunnen worden gebruikt, terwijl sommige IC's opnieuw kunnen worden geprogrammeerd en voor verschillende toepassingen kunnen worden gebruikt. Deze typen IC's worden ASIC's genoemd. Maar hoe verschillen ze? Hoe is het mogelijk om ze opnieuw te programmeren? Waarom kunnen sommige IC's niet opnieuw worden geprogrammeerd? Ga verder om antwoorden op deze vragen te vinden.

Wat is een ASIC (Application Specific Integrated Circuit)?

ASIC volledig formulier is Application Specific Integrated Circuit. Deze circuits zijn toepassingsspecifiek. D.w.z. op maat gemaakte IC's voor een bepaalde toepassing. Deze zijn meestal ontworpen vanaf root-niveau op basis van de vereisten van de specifieke applicatie. Enkele van de basis toepassingsspecifieke voorbeelden van geïntegreerde schakelingen zijn chips die in speelgoed worden gebruikt, de chip die wordt gebruikt voor de koppeling van geheugen en microprocessor enz. Deze chips kunnen alleen worden gebruikt voor die ene toepassing waarvoor ze zijn ontworpen. Vermoedelijk zijn deze soorten IC's hebben alleen de voorkeur voor die producten met een grote productierun. Omdat ASIC's zijn ontworpen vanaf het rootniveau, hebben ze hoge kosten en worden ze alleen aanbevolen voor producties met een hoog volume.

Het belangrijkste voordeel van ASIC is de kleinere chipgrootte, aangezien een groot aantal functionele eenheden van een circuit over een enkele chip is opgebouwd. Moderne ASIC bevat over het algemeen een 32-bits microprocessor , geheugenblokken, netwerkcircuits, enz. Dergelijke soorten ASIC's staan ​​bekend als Systeem op chip ​Met de ontwikkeling in productietechnologie en toegenomen onderzoek naar ontwerpmethoden, worden ASIC's met verschillende aanpassingsniveaus ontwikkeld.

Soorten ASIC

ASIC's worden gecategoriseerd op basis van de hoeveelheid maatwerk die een programmeur op een chip mag doen.

Soorten ASIC's

Volledig aangepast

In dit type ontwerp zijn alle logische cellen op maat gemaakt voor een specifieke toepassing, d.w.z.. ontwerper moet speciaal de logische cellen voor de schakelingen maken. Alle maskerlagen voor onderlinge verbinding zijn aangepast. De programmeur kan dus de onderlinge verbindingen van de chip niet veranderen en tijdens het programmeren moet hij zich bewust zijn van de circuitlay-out.

Een van de beste voorbeelden van Full custom ASIC is een microprocessor. Met dit type maatwerk kunnen ontwerpers verschillende analoge circuits, geoptimaliseerde geheugencellen of mechanische structuren op een enkele IC bouwen. Deze ASIC is kostbaar en kost veel tijd om te vervaardigen en te ontwerpen. De tijd die nodig is om deze IC's te ontwerpen, is ongeveer acht weken.

Deze zijn meestal bedoeld voor toepassingen op hoog niveau. Maximale prestaties, minimaal oppervlak en de hoogste mate van flexibiliteit zijn de belangrijkste kenmerken van volledig op maat gemaakt ontwerp. Uiteindelijk is het risico hoog in het ontwerp, aangezien de gebruikte logische cellen, weerstand enz. Circuitelementen niet vooraf zijn getest.

Semi-aangepast

In dit type ontwerp worden logische cellen uit standaardbibliotheken gehaald, d.w.z.. ze zijn niet handgemaakt zoals in volledig aangepast ontwerp. Sommige maskers zijn aangepast, terwijl andere uit de vooraf ontworpen bibliotheek zijn gehaald. Op basis van het type logische cellen dat uit de bibliotheek is gehaald en de hoeveelheid maatwerk die is toegestaan ​​voor verbindingen, zijn deze ASIC's onderverdeeld in twee typen: standaard celgebaseerde ASIC en Gate Array gebaseerde ASIC.

1). Standaard celgebaseerde ASIC

Om deze IC's te kennen, moeten we eerst begrijpen waar een standaard celbibliotheek voor staat. Enkele van de logische cellen zoals EN poorten, OF poorten , multiplexers, slippers zijn vooraf ontworpen door ontwerpers met behulp van verschillende configuraties, gestandaardiseerd en opgeslagen in de vorm van een bibliotheek. Deze verzameling staat bekend als de standaardcelbibliotheek.

Standaard celgebaseerde ASIC

In standaard celgebaseerde, ASIC-logische cellen uit deze standaardbibliotheken worden gebruikt. Op de ASIC-chip zijn standaardceloppervlakken of flexibel blok opgebouwd uit standaardcellen die in de vorm van rijen zijn gerangschikt. Samen met deze flexibele blokken worden megacellen zoals microcontrollers of zelfs microprocessors on-chip gebruikt. Deze megacellen zijn ook bekend als megafuncties, macro's op systeemniveau, vaste blokken, functionele standaardblokken.

De bovenstaande afbeelding stelt een standaard ASIC-cel voor met een enkele standaardcelruimte en vier vaste blokken. Maskerlagen zijn aangepast. Hier kan de ontwerper standaardcellen overal op de matrijs plaatsen. Deze worden ook wel C-BIC genoemd.

2). Gate Array gebaseerde ASIC

Dit type semi-aangepaste ASIC is vooraf gedefinieerd transistors op de siliciumwafel. dat wil zeggen. de ontwerper kan de plaatsing van de transistors op de matrijs niet wijzigen. Basisarray is het vooraf gedefinieerde patroon van de poortarray en de basiscel is de kleinste zich herhalende cel van de basisarray.

De ontwerper is alleen aansprakelijk om de onderlinge verbinding tussen transistors te wijzigen met behulp van de eerste paar metalen lagen van de chip. De ontwerper maakt een keuze uit de gate array-bibliotheek. Deze worden vaak Masked Gate Array genoemd. Gate Array Based ASIC zijn er in drie typen. Het zijn Channeled Gate Array, Channel less gate-array en een gestructureerde gate-array.

a) .Channeled Gate Array

In dit type poortopstelling wordt bedradingsruimte gelaten tussen rijen transistors. Deze zijn vergelijkbaar met CBIC omdat er ruimte overblijft voor onderlinge verbinding tussen blokken, maar in gekanaliseerde gate-array celrijen zijn vast in hoogte, terwijl in CBIC deze ruimte kan worden aangepast.

Channeled Gate Array

Enkele van de belangrijkste kenmerken van deze gate-array zijn: deze gate-array gebruikt vooraf gedefinieerde ruimtes tussen rijen voor onderlinge verbinding. De productietijd is twee dagen tot twee weken.

b). Kanaal Minder Gate Array

Er is geen vrije ruimte meer voor routering tussen rijen cellen, zoals te zien is in de gechannelde poortarray. Hier wordt de routering gedaan van boven de poortarraycellen, omdat we de verbinding tussen de metalen 1 en transistors kunnen aanpassen. Voor routing laten we de transistors die in het pad van de routing liggen ongebruikt. De productietijd is ongeveer twee weken.

Kanaal Minder Gate Array

c). Gestructureerde poortopstelling

Dit type gate-array heeft een ingebed blok samen met gate-array-rijen zoals hierboven te zien is. Gestructureerde poortopstelling heeft een hogere oppervlakte-efficiëntie van CBIC. Net als een gemaskerde poortarray hebben deze lagere kosten en een snellere doorlooptijd. Hier vormt de vaste grootte van de ingebedde functie een beperking voor de gestructureerde poortopstelling. Bevat deze gate-array bijvoorbeeld een gebied gereserveerd voor 32k bit-controller, maar als we in een toepassing alleen een gebied voor een 16k-bit-controller nodig hebben, wordt het resterende gebied verspild. Alle gate-array heeft een doorlooptijd van twee dagen tot twee weken en hebben allemaal een aangepaste interconnect.

Gestructureerde poortopstelling

Programmeerbare ASIC

Er zijn twee soorten programmeerbare ASIC's. Ze zijn PLD en FPGA

PLD's (programmeerbare logische apparaten)

Dit zijn de standaard cellen die direct beschikbaar zijn. We kunnen een PLD programmeren om een ​​deel van de applicatie aan te passen, zodat ze als ASIC worden beschouwd. We kunnen verschillende methoden en software gebruiken om een ​​PLD te programmeren. Deze bevatten een reguliere matrix van logische cellen, meestal programmeerbare arraylogica, samen met flip-flops of latches. Hier zijn interconnects aanwezig als een enkel groot blok.
PROM is een bekend voorbeeld van deze IC. EPROM gebruikt MOS-transistors als interconnect, dus door hoogspanning toe te passen, kunnen we het programmeren. PLD's hebben geen aangepaste logische cellen of interconnect. Deze hebben een snelle doorlooptijd van het ontwerp.

Programmeerbare logische apparaten

FPGA's (Field Programmable Gate Array)

Waar PLD's programmeerbare matrixlogica hebben als logische cellen FPGA heeft een gate-array-achtige opstelling. PLD's zijn kleiner en minder complex dan FPGA's. Vanwege zijn flexibiliteit en kenmerken vervangt FPGA TTL in micro-elektronische systemen. De doorlooptijd van het ontwerp is slechts een paar uur.

Veld-programmeerbare poortopstelling

De kern bestaat uit programmeerbare logische basiscellen die beide kunnen uitvoeren combinationeel en sequentiële logica ​We kunnen logische cellen programmeren en onderling verbinden met behulp van enkele methoden. Basis logische cellen zijn omgeven door de matrix van programmeerbare verbindingen en de kern is omgeven door programmeerbare I / O-cellen.

FPGA bestaat meestal uit configureerbare logische blokken, configureerbare I / O-blokken, programmeerbare verbindingen, klokschakelingen, ALU, geheugen, decoders.

We hebben de verschillende soorten ASIC gezien die beschikbaar zijn. Laten we nu eens kijken wanneer al deze aanpassingen en onderlinge verbindingen worden uitgevoerd tijdens de productie.

Applicatie-specifieke Integrated Circuit (ASIC) ontwerpstroom

Het ontwerpen van een ASIC wordt stap voor stap uitgevoerd. Deze volgorde van stappen staat bekend als ASIC-ontwerp Stromen. De stappen van de ontwerpstroom worden gegeven in het onderstaande stroomschema.

ASIC-ontwerpstroom

Ontwerpinvoer: Bij deze stap wordt de microarchitectuur van het ontwerp geïmplementeerd met behulp van hardwarebeschrijvingstalen zoals VHDL, Verilog en System Verilog.
Logische synthese: Bij deze stap wordt een netlijst van te gebruiken logische cellen, soorten verbindingen en alle andere onderdelen die nodig zijn voor de toepassing, opgesteld met behulp van HDL.
Systeempartitionering: Bij deze stap verdelen we de matrijs met grote afmetingen in stukken van ASIC-grootte.
Pre-layout simulatie: Bij deze stap wordt een simulatietest gedaan om te controleren of het ontwerp fouten bevat.
Vloerplanning: Bij deze stap worden netlijstblokken op de chip gerangschikt.
Plaatsing: Bij deze stap wordt de locatie van cellen binnen het blok bepaald.
Routing: Bij deze stap worden verbindingen gemaakt tussen blokken en cellen. Extractie: bij deze stap bepalen we de elektrische eigenschappen zoals de weerstandswaarde en de capaciteitswaarde van de interconnect.
Simulatie na lay-out: Voordat het model voor de fabricage wordt ingediend, wordt deze simulatie uitgevoerd om te controleren of het systeem goed functioneert samen met een lading interconnect.

Voorbeelden van ASIC

Nu we de verschillende kenmerken van ASIC kennen, laten we nu enkele voorbeelden van ASIC zien.
Standaard celgebaseerde ASIC: LCB 300k, 500k van LSI Logic Company, SIG1, 2, 3 families van ABB Hafo Inc., GCS90K van GCS Plessey.
Gate Array-producten: AUA20K van Harris Semiconductor, SCX6Bxx van National Semiconductors, TGC / TEC-families van Texas Instruments.
PLD-producten: PAL-familie van geavanceerde micro-apparaten, GAL-familie van Philips Semiconductors, XC7300 en EPLD van XILINX.
FPGA-producten: XC2000, XC3000, XC4000, XC5000 series van XILINX, pASIC1 van QuickLogic, MAX5000 van Altera.

Toepassingen van ASIC

Het unieke van ASIC heeft een revolutie teweeggebracht in de manier waarop elektronica wordt vervaardigd. Deze verminderden de matrijsafmetingen terwijl de dichtheid van logische poorten per chip. ASIC's hebben meestal de voorkeur voor toepassingen op hoog niveau. ASIC-chip wordt gebruikt als IP-cores voor satellieten, ROM-productie, Microcontroller en verschillende soorten toepassingen in de medische en onderzoekssector. Een van de trending toepassingen van ASIC is BITCOIN MINER.

Bitcoin Mijnwerker

Het delven van cryptocurrency vereist meer vermogen en snelle hardware. Een CPU voor algemeen gebruik kan bij hoge snelheid niet zo'n hogere rekencapaciteit leveren. ASIC bitcoin miners zijn chips die zijn ingebouwd in speciaal ontworpen moederborden en voedingen , geconstrueerd tot een enkele eenheid. Het is met opzet ontworpen hardware tot op chipniveau voor bitcoin-mijnbouw. Deze eenheden kunnen het algoritme van slechts één cryptocurrency uitvoeren. Voor een ander type cryptocurrency hebben we vermoedelijk een andere miner nodig.

Voordelen en nadelen van ASIC

De voordelen van ASIC omvatten de volgende.

• • Het kleine formaat van ASIC maakt het een goede keuze voor geavanceerde grotere systemen.

• • Omdat een groot aantal circuits over een enkele chip is gebouwd, zorgt dit voor toepassingen met hoge snelheid.

• • ASIC heeft een laag stroomverbruik.

• • Omdat ze het systeem op de chip zijn, zijn circuits naast elkaar aanwezig. Er is dus een zeer minimale routing nodig om verschillende circuits te verbinden.
  • ASIC heeft geen timingproblemen en postproductieconfiguratie.

De nadelen van ASIC omvatten de volgende.

• • Omdat dit aangepaste chips zijn, bieden ze een lage programmeerflexibiliteit.

• • Omdat deze chips vanaf het rootniveau moeten worden ontworpen, zijn ze van hoge kosten per eenheid.
  • ASIC heeft een grotere time-to-market-marge.

ASIC versus FPGA

Het verschil tussen ASIC en FPGA omvat het volgende.

Dit gaat dus allemaal over een overzicht van Application Specific Integrated Circuit ​ De uitvinding van ASIC heeft voor een enorme verandering gezorgd in de manier waarop elektronica wordt gebruikt. We gebruiken ASIC in ons dagelijks leven in de vorm van verschillende toepassingen. Welke toepassingen van ASIC ben je tegengekomen? Met welk type ASIC heb je gewerkt?