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ASIC
(專用集成電路)
鎖定
- 中文名
- 專用集成電路
- 外文名
- Application Specific Integrated Circuit
- 簡 稱
- ASIC
- 所屬類別
- AI芯片
ASIC簡介
在集成電路界ASIC被認為是一種為專門目的而設計的集成電路。是指應特定用户要求和特定電子系統的需要而設計、製造的集成電路。ASIC的特點是面向特定用户的需求,ASIC在批量生產時與通用集成電路相比具有體積更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強、成本降低等優點。
集成電路(integrated circuit)是一種微型電子器件或部件。採用一定的工藝,把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及佈線互連一起,製作在一塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上,然後封裝在一個管殼內,成為具有所需電路功能的微型結構;其中所有元件在結構上已組成一個整體,使電子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進了一大步。集成電路發明於上世紀70年代,發明者為傑克·基爾比[基於鍺(Ge)的集成電路]和羅伯特·諾伊思[基於硅(Si)的集成電路]。
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集成電路規模越大,組建系統時就越難以針對特殊要求加以改變為解決這些問題。所以就出現了以用户參加設計為特徵的專用集成電路 (ASIC),它能實現整機系統的優化設計,性能優越,保密性強。專用集成電路可以把分別承擔一些功能的數個,數十個,甚至上百個通用中,小規模集成電路的功能集成在一塊芯片上,進而可將整個系統集成在一塊芯片上,實現系統的需要。它使整機電路優化,元件數減少,佈線縮短,體積和重量減小,提高系統可靠性。
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ASIC特點
ASIC 的特點是面向特定用户的需求,品種多、 批量少,要求設計和生產週期短,它作為集成電路技術與特定用户的整機或系統技術緊密結合的產物,與通用集成電路相比具有體積更小、重量更輕、 功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強、 成本降低等優點。
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ASICASIC與功能安全
由於ASIC的便利性和良好的可靠性,逐漸越來越多的應用於安全相關產品的設計開發,如智能的安全變送器、安全總線接口設備或安全控制器。然而,由於不同於傳統的模擬電路或一般IC,如何評價ASIC的功能安全性,包括當ASIC集成到產品開發時,如何評價產品的功能安全性,逐漸成為了一個新的問題和熱點。ASIC有其自身的一些複雜性特點。例如一塊ASIC上可能有上億個MOS管,每個MOS管都有可能發生失效,如何判斷和控制這些失效時功能安全需要考慮的問題:又如ASIC設計過程中需要利用Verilog等專用工具,如何評價這些工具的適用性,以及對開發流程的質量控制等也是需要解決的問題。
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在2010年,功能安全基礎標準IEC61508發佈了第二版:IEC61508—2010:ED2.0。其中對於採用ASIC進行安全相關系統開發進行了詳細的規定,包括定義了ASIC的生命週期模型,建議了針對ASIC控制故障和避免失效的要求。
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ASIC定製
ASIC分為全定製和半定製。全定製設計需要設計者完成所有電路的設計,因此需要大量人力物力,靈活性好但開發效率低下。如果設計較為理想,全定製能夠比半定製的ASIC芯片運行速度更快。半定製使用庫裏的標準邏輯單元(Standard Cell),設計時可以從標準邏輯單元庫中選擇SSI(門電路)、MSI(如加法器、比較器等)、數據通路(如ALU、存儲器、總線等)、存儲器甚至系統級模塊(如乘法器、微控制器等)和IP核,這些邏輯單元已經佈局完畢,而且設計得較為可靠,設計者可以較方便地完成系統設計。 現代ASIC常包含整個32-bit處理器,類似ROM、RAM、EEPROM、Flash的存儲單元和其他模塊。這樣的ASIC常被稱為SoC(片上系統)。
FPGA是ASIC的近親,一般通過原理圖、VHDL對數字系統建模,運用EDA軟件仿真、綜合,生成基於一些標準庫的網絡表,配置到芯片即可使用。它與ASIC的區別是用户不需要介入芯片的佈局佈線和工藝問題,而且可以隨時改變其邏輯功能,使用靈活。
在定製化芯片領域,FPGA(現場可編程門陣列)是一直可編程的半定製芯片,而傳統ASIC則通常被稱為全定製芯片。
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ASIC全定製設計
全定製ASIC是利用集成電路的最基本設計方法(不使用現有庫單元),對集成電路中所有的元器件進行精工細作的設計方法。全定製設計可以實現最小面積,最佳佈線佈局、最優功耗速度積,得到最好的電特性。該方法尤其適宜於模擬電路,數模混合電路以及對速度、功耗、管芯面積、其它器件特性(如線性度、對稱性、電流容量、耐壓等)有特殊要求的場合;或者在沒有現成元件庫的場合。特點:精工細作,設計要求高、週期長,設計成本昂貴。
由於單元庫和功能模塊電路越加成熟,全定製設計的方法漸漸被半定製方法所取代。在IC設計中,整個電路均採用全定製設計的現象越來越少。全定製設計要求:全定製設計要考慮工藝條件,根據電路的複雜和難度決定器件工藝類型、佈線層數、材料參數、工藝方法、極限參數、成品率等因素。需要經驗和技巧,掌握各種設計規則和方法,一般由專業微電子IC設計人員完成;常規設計可以借鑑以往的設計,部分器件需要根據電特性單獨設計;佈局、佈線、排版組合等均需要反覆斟酌調整,按最佳尺寸、最合理佈局、最短連線、最便捷引腳等設計原則設計版圖。版圖設計與工藝相關,要充分了解工藝規範,根據工藝參數和工藝要求合理設計版圖和工藝。
ASIC半定製設計方法
基於標準單元的設計方法是:將預先設計好的稱為標準單元的邏輯單元,如與門,或門,多路開關,觸發器等,按照某種特定的規則排列,與預先設計好的大型單元一起組成ASIC。基於標準單元的ASIC又稱為CBIC(CellbasedIC)。
ASIC設計過程
首先,需要對ASIC進行內部功能模塊的劃分,使每個功能模塊實現相應的功能。各個功能模塊連接到一起形成整個ASIC電路。第二,根據功能模塊的劃分,按照功能和接口要求,採用硬件描述語言 (HDL)進行模塊的邏輯設計,形成寄存器傳輸級(RTL)代碼。第三,針對ASIC規格書的功能和時序要求,採用現場可編程邏輯門陣列 (FPGA)原型或者軟件仿真的方式,編寫測試代碼或者測試激勵,進行邏輯驗證,並確保邏輯設計完全符合設計要求。第四,將RTL代碼通過邏輯綜合工具映射到相應的工藝庫上,進行佈局佈線等版圖設計,完成時序驗證和收斂,形成用於投片生產的版圖數據。
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