什么是ASIC？

電子行業(yè)一直專(zhuān)注于小型化。這種小型化是由在最小尺寸中集成最大邏輯的愿望驅動(dòng)的。盡管如此，在 2021 年，該行業(yè)還沒(méi)有為摩爾定律的終結做好準備，盡管研發(fā)成本逐漸上升以繼續沿著(zhù)這條道路前進(jìn)。

晶體管邏輯在微型芯片中實(shí)現計算的能力首先導致了 CPU 的發(fā)展。CPU 與 MPU 和微控制器等其他外圍設備捆綁在一起為時(shí)不晚。在 MPU 繼續滿(mǎn)足通用計算需求的同時(shí)，微控制器則專(zhuān)注于特定應用和面向行業(yè)的細分市場(chǎng)。這些細分市場(chǎng)迫使半導體制造商在數字 IC 中以專(zhuān)用集成電路 (ASIC) 和 FPGA 的形式開(kāi)發(fā)更具體和高性能的設計。

據最新統計，通用計算僅占半導體市場(chǎng)份額的21%。相比之下，無(wú)線(xiàn)通信、工業(yè)電子、消費電子、汽車(chē)電子等其他細分市場(chǎng)占其余部分。雖然存儲器和邏輯 IC 市場(chǎng)在 2018 年的最高收入分別約為 1700 億美元和 1000 億美元，但專(zhuān)用邏輯以大約 950 億美元的收入位居第三。微處理器的收入只有一半，而微控制器的收入與 ASIC 相比甚至不到三分之一。

除了嵌入式控制之外，ASIC 還新發(fā)現用于 AI 推理、高速搜索以及視覺(jué)和圖像處理等應用。在嵌入式系統中，CPU 和 MCU 在低成本、低功耗的移動(dòng)應用中處于領(lǐng)先地位。ASIC 在非消費應用中仍然占主導地位。ASIC 在大容量視覺(jué)和圖像處理應用中尤其占有一席之地。

ASIC 的市場(chǎng)份額超過(guò)了微處理器和微控制器，似乎非常重要。讓我們看看 ASIC 到底是什么！

什么是ASIC？

集成電路可以設計為迎合許多應用程序或服務(wù)于單個(gè)應用程序。為實(shí)現特定應用而設計的數字集成電路稱(chēng)為專(zhuān)用集成電路 (ASIC)。從根本上講，這些 IC 是為實(shí)現特定用例而量身定制的。這些芯片通常容納許多功能單元，如處理器、通信外圍設備、內存等，都密集地封裝在一個(gè)芯片上。這些類(lèi)型的 ASIC 稱(chēng)為片上系統 (SoC)。ASIC 成本高，最適合大規模應用。通常，ASIC 設計為適合特定產(chǎn)品。

不同類(lèi)型的 ASIC

在計算方面，ASIC 實(shí)際上不是可編程芯片。但是，這些可以由用戶(hù)自定義以最適合各自的用例。定制是使用電子設計自動(dòng)化 (EDA) 工具完成的，芯片設計由用戶(hù)使用硬件描述語(yǔ)言 (HDL) 指定。定制級別決定了 ASIC 的類(lèi)型。ASIC 可以是以下類(lèi)型之一——

1. 全定制

2. 半定制

3. 可編程的

全定制 ASIC

所有邏輯單元都是為特定應用而設計的，在完全定制的 ASIC 中具有固定的電路布局。程序員不能改變芯片的互連。此類(lèi)設計適用于存儲芯片、傳感器和傳感器、電源管理 IC、模擬處理器和微處理器等應用。使用全定制 ASIC 的優(yōu)勢在于以最小的芯片尺寸獲得盡可能高的性能。然而，這一切都取代了復雜的設計、更長(cháng)的上市時(shí)間和高昂的成本。這就是為什么這些 ASIC 專(zhuān)為高級和大容量應用而設計的原因。

半定制 ASIC

在這些類(lèi)型的 ASIC 中，邏輯單元不是完全定制的。它們取自標準庫，它們之間的互連既是定制的又是標準的。與可能在晶體管級別完成設計的全定制 ASIC 相比，所涉及的最低設計是半定制 ASIC 中的邏輯或門(mén)。這種方法有助于減少設計全定制 ASIC 所涉及的時(shí)間和成本。根據設計方法，半定制 ASIC 可以有兩種類(lèi)型：

1. 基于標準單元的 ASIC——這些 ASIC 是使用標準單元庫設計的。邏輯單元，如邏輯門(mén)、多路復用器、多路分解器、寄存器等，是從單元庫中預先設計的。邏輯單元甚至可以是微處理器或微控制器。這種大小的邏輯單元稱(chēng)為兆單元。所有邏輯單元都排列成行，程序員可以在其中自定義塊在自定義掩模層上的位置。

2. 基于門(mén)陣列的 ASIC——在這些 ASIC 中，邏輯單元在芯片上具有固定的位置，設計人員可以使用掩膜層更改塊之間的互連?；締卧侵貜托纬苫娟嚵械木w管。這定義了設計人員互連的門(mén)陣列模式以完成 IC 設計。門(mén)陣列 IC 分為三種類(lèi)型——通道門(mén)陣列、無(wú)通道門(mén)陣列和結構化門(mén)陣列。

可編程 ASIC

這些 ASIC 通常用于原型設計。設計人員可以以編程方式完全自定義設計?？删幊?ASIC 有兩種類(lèi)型：

1. 可編程邏輯器件 (PLD)——這些 ASIC 沒(méi)有定制的邏輯單元或互連。有一個(gè)規則的邏輯單元矩陣，可以使用軟件進(jìn)行編程。設計人員可以自定義模塊并定義互連。這允許產(chǎn)生特定于特定應用的設計。PLD 本身用作標準單元并有助于快速設計。PLD 的一些很好的例子是 PROM 和 EPROM。

2. 現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) – FPGA 由可編程門(mén)陣列組成，由可編程互連包圍。門(mén)陣列用作可編程邏輯單元，可以定制為具有組合邏輯或時(shí)序邏輯。也可以使用一些方法對周?chē)幕ミB進(jìn)行編程。FPGA 對于可能在幾個(gè)小時(shí)內完成的令人難以置信的快速設計非常有用。

基于門(mén)陣列的 ASIC 的類(lèi)型

基于門(mén)陣列的 ASIC 分為三種類(lèi)型：

1. 通道門(mén)陣列——在通道門(mén)陣列中，固定高度的邏輯塊排列成陣列，它們之間有空間用于互連。

2. 無(wú)通道門(mén)陣列——在無(wú)通道門(mén)陣列中，邏輯塊的行之間沒(méi)有空間。相反，通過(guò)將晶體管放置在互連未使用的路徑中，在邏輯單元上完成布線(xiàn)。

3. 結構化門(mén)陣列——在結構化門(mén)陣列中，裸片上的一些空間留給固定的嵌入式塊，其余的門(mén)陣列塊可用于布線(xiàn)。嵌入式模塊的使用減少了設計時(shí)間，盡管它可能不會(huì )產(chǎn)生最佳優(yōu)化的設計。

結論

ASIC 通常涉及重用高級組件的芯片設計。這些組件具有寄存器、計數器、多路復用器、浮點(diǎn)運算單元和算術(shù)邏輯單元的門(mén)級復雜性。高級組件通?？捎米髦R產(chǎn)權 (IP) 內核。該設計公司擁有設計 ASIC 所涉及的 IP 核的版權。各個(gè)模塊根據客戶(hù)的設計相互連接，客戶(hù)必須為每一個(gè)出貨的芯片向設計公司支付專(zhuān)利費。

ASIC 在半導體行業(yè)占有很大的市場(chǎng)份額。即使不是通用計算，ASIC 也服務(wù)于各種其他細分市場(chǎng)以及嵌入式控制中的高級組件。ASIC 專(zhuān)為特定用例設計、定制和生產(chǎn)，并直接適用于特定最終產(chǎn)品。