Εισαγωγή στο ειδικό ολοκληρωμένο κύκλωμα εφαρμογής (ASIC)

Στην καθημερινή μας ζωή, συναντάμε διάφορους τύπους ηλεκτρονικών συσκευών. Μία από τις τεχνολογίες που προκάλεσαν επανάσταση στην παραγωγή ηλεκτρονικών είναι « Ενσωματωμένο κύκλωμα «. Αυτή η τεχνολογία μείωσε το μέγεθος των ηλεκτρονικών προϊόντων αυξάνοντας την πυκνότητα του λογικές πύλες ανά τσιπ. Σήμερα έχουμε διαφορετικούς τύπους και διαμορφώσεις IC. Όπως παρατηρούμε γύρω, διαπιστώνουμε ότι ορισμένα IC μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο για μια συγκεκριμένη εφαρμογή, ενώ ορισμένα IC μπορούν να επαναπρογραμματιστούν και να χρησιμοποιηθούν για διάφορες εφαρμογές. Αυτοί οι τύποι IC ονομάζονται ASIC. Αλλά πώς διαφέρουν; Πώς είναι δυνατόν να τα επαναπρογραμματίσουμε; Γιατί ορισμένα IC δεν μπορούν να επαναπρογραμματιστούν; Ελπίζω να βρείτε απαντήσεις σε αυτές τις ερωτήσεις.

Τι είναι ένα ASIC (Ειδικό ολοκληρωμένο κύκλωμα εφαρμογής);

Η πλήρης φόρμα ASIC είναι Συγκεκριμένο ολοκληρωμένο κύκλωμα εφαρμογής. Αυτά τα κυκλώματα είναι συγκεκριμένα για εφαρμογή. ειδικά προσαρμοσμένα IC για μια συγκεκριμένη εφαρμογή. Αυτά σχεδιάζονται συνήθως από επίπεδο ρίζας με βάση την απαίτηση της συγκεκριμένης εφαρμογής. Μερικά από τα βασικά παραδείγματα ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για συγκεκριμένη εφαρμογή είναι μάρκες που χρησιμοποιούνται σε παιχνίδια, το τσιπ που χρησιμοποιείται για διασύνδεση μνήμης και μικροεπεξεργαστή κ.λπ.… Αυτά τα τσιπ μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο για μια εφαρμογή για την οποία έχουν σχεδιαστεί. Προφανώς, αυτά τύποι IC προτιμώνται μόνο για τα προϊόντα που έχουν μεγάλη παραγωγή. Καθώς τα ASIC έχουν σχεδιαστεί από το επίπεδο ρίζας, έχουν υψηλό κόστος και συνιστώνται μόνο για παραγωγές μεγάλου όγκου.

Το κύριο πλεονέκτημα της ASIC είναι το μειωμένο μέγεθος chip καθώς ένας μεγάλος αριθμός λειτουργικών μονάδων ενός κυκλώματος κατασκευάζονται πάνω από ένα μόνο chip. Το σύγχρονο ASIC περιλαμβάνει γενικά ένα 32-bit μικροεπεξεργαστής , μπλοκ μνήμης, κυκλώματα δικτύου κλπ ... Αυτός ο τύπος ASIC είναι γνωστός ως Σύστημα στο Chip . Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας κατασκευής και την αυξημένη έρευνα σε μεθόδους σχεδιασμού, αναπτύσσονται ASIC με διαφορετικά επίπεδα προσαρμογής.

Τύποι ASIC

Τα ASIC κατηγοριοποιούνται βάσει του ποσού προσαρμογής που επιτρέπεται να κάνει ένας προγραμματιστής σε ένα τσιπ.

Τύποι ASIC

Πλήρες έθιμο

Σε αυτόν τον τύπο σχεδιασμού, όλα τα λογικά κελιά είναι προσαρμοσμένα για συγκεκριμένη εφαρμογή. Ο σχεδιαστής πρέπει να φτιάξει ειδικά τα λογικά κελιά για τα κυκλώματα. Όλα τα στρώματα μάσκας για διασύνδεση είναι προσαρμοσμένα. Έτσι, ο προγραμματιστής δεν μπορεί να αλλάξει τις διασυνδέσεις του chip και κατά τον προγραμματισμό πρέπει να γνωρίζει τη διάταξη του κυκλώματος.

Ένα από τα καλύτερα παραδείγματα του Full custom ASIC είναι ένας μικροεπεξεργαστής. Αυτός ο τύπος προσαρμογής επιτρέπει στους σχεδιαστές να χτίσουν διάφορα αναλογικά κυκλώματα, βελτιστοποιημένα κελιά μνήμης ή μηχανικές δομές σε ένα μόνο IC. Αυτό το ASIC είναι δαπανηρό και πολύ χρονοβόρο για την κατασκευή και το σχεδιασμό. Ο χρόνος που απαιτείται για το σχεδιασμό αυτών των IC είναι περίπου οκτώ εβδομάδες.

Αυτά προορίζονται συνήθως για εφαρμογές υψηλού επιπέδου. Η μέγιστη απόδοση, η ελαχιστοποιημένη περιοχή και ο υψηλότερος βαθμός ευελιξίας είναι βασικά χαρακτηριστικά του Full custom design. Τελικά, ο κίνδυνος είναι υψηλός στο σχεδιασμό καθώς τα λογικά κελιά, η αντίσταση κ.λπ.… τα στοιχεία κυκλώματος που χρησιμοποιούνται δεν έχουν δοκιμαστεί.

Ημι-προσαρμοσμένο

Σε αυτόν τον τύπο σχεδιασμού, τα λογικά κελιά λαμβάνονται από τυπικές βιβλιοθήκες. Δεν είναι χειροποίητα όπως στο Full custom design. Ορισμένες μάσκες προσαρμόζονται ενώ άλλες λαμβάνονται από την προκαθορισμένη βιβλιοθήκη. Με βάση τον τύπο των λογικών κελιών που λαμβάνονται από τη βιβλιοθήκη και το ποσό προσαρμογής που επιτρέπεται για διασυνδέσεις, αυτά τα ASIC χωρίζονται σε δύο τύπους - Τυπικό ASIC βασισμένο σε κελιά και ASIC με βάση το Array.

1). Πρότυπο ASIC βασισμένο σε κελιά

Για να μάθουμε αυτά τα IC πρώτα ας καταλάβουμε τι σημαίνει μια τυπική βιβλιοθήκη κυττάρων. Μερικά από τα λογικά κελιά όπως ΚΑΙ πύλες, Ή πύλες , πολυπλέκτες, σαγιονάρες έχουν σχεδιαστεί από σχεδιαστές χρησιμοποιώντας διαφορετικές διαμορφώσεις, τυποποιημένες και αποθηκεύονται με τη μορφή βιβλιοθήκης. Αυτή η συλλογή είναι γνωστή ως τυπική βιβλιοθήκη κυττάρων.

Πρότυπο ASIC βασισμένο σε κελιά

Σε στάνταρ κελιά, χρησιμοποιούνται ASIC λογικά κελιά από αυτές τις τυπικές βιβλιοθήκες. Στο τσιπ ASIC, η τυπική περιοχή κυψελών ή το εύκαμπτο μπλοκ αποτελούνται από τυπικά κελιά διατεταγμένα με τη μορφή σειρών. Μαζί με αυτά τα εύκαμπτα μπλοκ χρησιμοποιούνται μεγάλα κελιά όπως μικροελεγκτές ή ακόμη και μικροεπεξεργαστές on-chip. Αυτά τα μεγάλα κελιά είναι επίσης γνωστά ως λειτουργίες Mega, μακροεντολές επιπέδου συστήματος, σταθερά μπλοκ, λειτουργικά τυπικά μπλοκ.

Η παραπάνω εικόνα αντιπροσωπεύει ένα τυπικό κελί ASIC με μία τυπική περιοχή κυψελών και τέσσερα σταθερά μπλοκ. Τα στρώματα μάσκας είναι προσαρμοσμένα. Εδώ ο σχεδιαστής μπορεί να τοποθετήσει τυπικά κελιά οπουδήποτε στο καλούπι. Αυτά είναι επίσης γνωστά ως C-BIC.

2). Πύλη βασισμένη σε σειρά ASIC

Αυτός ο τύπος ημι-προσαρμοσμένου ASIC έχει προκαθοριστεί τρανζίστορ στη γκοφρέτα πυριτίου. ο σχεδιαστής δεν μπορεί να αλλάξει την τοποθέτηση των τρανζίστορ που υπάρχουν στη μήτρα. Η βασική συστοιχία είναι το προκαθορισμένο σχέδιο της συστοιχίας πύλης και το κελί βάσης είναι το μικρότερο επαναλαμβανόμενο κελί της συστοιχίας βάσης.

Ο σχεδιαστής έχει μόνο ευθύνη να αλλάξει τη διασύνδεση μεταξύ των τρανζίστορ χρησιμοποιώντας τα πρώτα λίγα μεταλλικά στρώματα της μήτρας. Ο σχεδιαστής επιλέγει από τη βιβλιοθήκη συστοιχιών πύλης. Αυτά ονομάζονται συχνά ως Masked Gate Array. Το ASIC με βάση το Array είναι τριών τύπων. Είναι Channeled Gate Array, Channel λιγότερο πύλη και ένας δομημένος πίνακας πύλης.

α). Καναναρισμένη πύλη συστοιχίας

Σε αυτόν τον τύπο συστοιχίας πύλης, απομένει χώρος καλωδίωσης μεταξύ σειρών τρανζίστορ. Αυτά είναι παρόμοια με το CBIC καθώς απομένει χώρος για διασύνδεση μεταξύ μπλοκ αλλά σε σειρές κυψελίδων διαύλου πύλης είναι σταθερές σε ύψος ενώ στην CBIC αυτός ο χώρος μπορεί να ρυθμιστεί.

Πλατφόρμα πύλης με κανάλια

Μερικά από τα κύρια χαρακτηριστικά αυτής της πύλης είναι: αυτή η πύλη χρησιμοποιεί προκαθορισμένους χώρους μεταξύ σειρών για διασύνδεση. Ο χρόνος κατασκευής είναι δύο ημέρες έως δύο εβδομάδες.

σι). Channel Less Gate Array

Δεν υπάρχει ελεύθερος χώρος για δρομολόγηση μεταξύ σειρών κελιών, όπως φαίνεται στη διοχέτευση πύλης. Εδώ η δρομολόγηση γίνεται από πάνω από τα κελιά συστοιχίας πύλης καθώς μπορούμε να προσαρμόσουμε τη σύνδεση μεταξύ του μετάλλου 1 και των τρανζίστορ. Για δρομολόγηση, αφήνουμε τα τρανζίστορ να βρίσκονται στο μονοπάτι δρομολόγησης αχρησιμοποίητα. Ο χρόνος παραγωγής είναι περίπου δύο εβδομάδες.

Channel Less Gate Array

ντο). Δομημένη συστοιχία πύλης

Αυτός ο τύπος συστοιχίας πύλης έχει ενσωματωμένο μπλοκ μαζί με σειρές συστοιχιών πύλης όπως φαίνεται παραπάνω. Η δομημένη συστοιχία πύλης έχει υψηλότερη απόδοση περιοχής CBIC. Όπως και η συστοιχία πύλης Masked, έχουν χαμηλότερο κόστος και γρηγορότερη ανακύκλωση. Εδώ το σταθερό μέγεθος της ενσωματωμένης συνάρτησης θέτει περιορισμό στη δομημένη συστοιχία πύλης. Για παράδειγμα, είναι αυτός ο πίνακας πύλης περιέχει μια περιοχή που προορίζεται για ελεγκτή 32k bit, αλλά εάν σε μια εφαρμογή απαιτούμε μόνο μια περιοχή για ελεγκτή 16k bit, η υπόλοιπη περιοχή χάνεται. Όλος ο πίνακας πύλης έχει χρόνο ανακύκλωσης από δύο ημέρες έως δύο εβδομάδες και όλα έχουν προσαρμοσμένη διασύνδεση.

Δομημένη συστοιχία πύλης

Προγραμματιζόμενο ASIC

Υπάρχουν δύο τύποι προγραμματιζόμενων ASIC. Είναι PLD και FPGA

PLD (Προγραμματιζόμενες Λογικές Συσκευές)

Αυτά είναι τα τυπικά κελιά που είναι άμεσα διαθέσιμα. Μπορούμε να προγραμματίσουμε ένα PLD για να προσαρμόσουμε ένα μέρος της εφαρμογής, οπότε θεωρούνται ASIC. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε διαφορετικές μεθόδους και λογισμικό για να προγραμματίσουμε ένα PLD. Αυτά περιέχουν μια κανονική μήτρα λογικών κελιών, συνήθως προγραμματιζόμενη λογική συστοιχίας μαζί με σαγιονάρες ή μανδάλους. Εδώ υπάρχουν διασυνδέσεις ως ένα ενιαίο μεγάλο μπλοκ.
Το PROM είναι ένα κοινό παράδειγμα αυτού του IC. Το EPROM χρησιμοποιεί τρανζίστορ MOS ως διασύνδεση, οπότε εφαρμόζοντας υψηλή τάση μπορούμε να το προγραμματίσουμε. Τα PLD δεν έχουν προσαρμοσμένα κελιά λογικής ή διασύνδεση. Αυτά έχουν γρήγορη ανάκαμψη του σχεδιασμού.

Προγραμματιζόμενες λογικές συσκευές

FPGAs (Field Programmable Gate Array)

Όπου τα PLD έχουν προγραμματιζόμενη λογική συστοιχίας ως λογικά κελιά FPGA έχει διάταξη τύπου πύλης. Τα PLD είναι μικρότερα και λιγότερο περίπλοκα από τα FPGAs. Λόγω της ευελιξίας και των χαρακτηριστικών του, το FPGA αντικαθιστά TTL σε μικροηλεκτρονικά συστήματα. Η ανακύκλωση του σχεδιασμού είναι μόνο λίγες ώρες.

Προγραμματιζόμενη σειρά πινάκων πεδίου

Ο πυρήνας αποτελείται από προγραμματιζόμενα βασικά κελιά λογικής τα οποία μπορούν να εκτελέσουν και τα δύο συνδυασμός και διαδοχική λογική . Μπορούμε να προγραμματίσουμε λογικά κελιά και να συνδεθούμε χρησιμοποιώντας μερικές μεθόδους. Τα βασικά κελιά λογικής περιβάλλονται από τη μήτρα προγραμματιζόμενων διασυνδέσεων και ο πυρήνας περιβάλλεται από προγραμματιζόμενα κελιά I / O.

Το FPGA αποτελείται συνήθως από διαμορφώσιμα λογικά μπλοκ, διαμορφώσιμα μπλοκ I / O, προγραμματιζόμενες διασυνδέσεις, κύκλωμα ρολογιού, ALU, μνήμη, αποκωδικοποιητές.

Έχουμε δει τα διάφορα είδη ASIC διαθέσιμα. Ας καταλάβουμε πότε όλες αυτές οι προσαρμογές και διασυνδέσεις γίνονται κατά την κατασκευή.

Ροή σχεδιασμού συγκεκριμένων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (ASIC) εφαρμογής

Ο σχεδιασμός ενός ASIC πραγματοποιείται με βήμα προς βήμα τρόπο. Αυτή η σειρά βημάτων είναι γνωστή ως ASIC Σχεδιασμός Ροή. Τα βήματα της ροής σχεδιασμού δίνονται στο παρακάτω διάγραμμα ροής.

Ροή ASIC Design

Καταχώρηση σχεδίου: Σε αυτό το βήμα, η μικροαρχιτεκτονική του σχεδιασμού υλοποιείται χρησιμοποιώντας γλώσσες περιγραφής υλικού όπως VHDL, Verilog και System Verilog.
Λογική σύνθεση: Σε αυτό το βήμα προετοιμάζεται μια netlist λογικών κελιών, τύπων διασυνδέσεων και όλων των άλλων τμημάτων που απαιτούνται για την εφαρμογή χρησιμοποιώντας HDL.
Διαμέριση συστήματος: Σε αυτό το βήμα, διαιρούμε το μεγάλο μέγεθος μήτρας σε κομμάτια μεγέθους ASIC.
Προσομοίωση προ-διάταξης: Σε αυτό το βήμα, πραγματοποιείται δοκιμή προσομοίωσης για να ελεγχθεί εάν ο σχεδιασμός περιέχει σφάλματα.
Σχεδιασμός δαπέδων: Σε αυτό το βήμα τοποθετούνται μπλοκ netlist στο chip.
Τοποθέτηση: Σε αυτό το βήμα αποφασίζεται η θέση των κελιών μέσα στο μπλοκ.
Δρομολόγηση: Σε αυτό το βήμα, συνδέονται μεταξύ μπλοκ και κελιών. Εξαγωγή: Σε αυτό το βήμα, προσδιορίζουμε τις ηλεκτρικές ιδιότητες όπως την τιμή αντίστασης και την τιμή χωρητικότητας της διασύνδεσης.
Προσομοίωση μετά τη διάταξη: Πριν από την υποβολή του μοντέλου για την κατασκευή αυτή η προσομοίωση γίνεται για να ελεγχθεί εάν το σύστημα λειτουργεί σωστά μαζί με ένα φορτίο διασύνδεσης.

Παραδείγματα ASIC

Έχοντας γνωρίσει τα διαφορετικά χαρακτηριστικά της ASIC, ας δούμε μερικά παραδείγματα της ASIC.
Τυπικό ASIC βασισμένο σε κελιά: LCB 300k, 500k από την LSI Logic Company, SIG1, 2, 3 οικογένειες από την ABB Hafo Inc., GCS90K της GCS Plessey.
Προϊόντα Gate Array: AUA20K από Harris Semiconductor, SCX6Bxx από National Semiconductors, TGC / TEC οικογένειες από την Texas Instruments.
Προϊόντα PLD: Οικογένεια PAL Advanced Micro Devices, οικογένεια GAL από Philips Semiconductors, XC7300 και EPLD από το XILINX.
Προϊόντα FPGA: XC2000, XC3000, XC4000, XC5000 σειρά από XILINX, pASIC1 του QuickLogic, MAX5000 από την Altera.

Εφαρμογές της ASIC

Η μοναδικότητα της ASIC έχει φέρει επανάσταση στον τρόπο κατασκευής ηλεκτρονικών. Αυτά μείωσαν τα μεγέθη του καλουπιού ενώ αυξάνουν την πυκνότητα του λογικές πύλες ανά τσιπ. Τα ASICs συνήθως προτιμώνται για εφαρμογές υψηλού επιπέδου. Το τσιπ ASIC χρησιμοποιείται ως πυρήνες IP για δορυφόρους, κατασκευή ROM, Μικροελεγκτής και διάφορους τύπους εφαρμογών στον ιατρικό και ερευνητικό τομέα. Μία από τις δημοφιλείς εφαρμογές της ASIC είναι το BITCOIN MINER.

Bitcoin Miner

Η εξόρυξη κρυπτονομισμάτων απαιτεί μεγαλύτερη ισχύ και υλικό υψηλής ταχύτητας. Ένας επεξεργαστής γενικής χρήσης δεν μπορεί να παρέχει τόσο μεγαλύτερη χωρητικότητα υπολογιστών σε υψηλή ταχύτητα. Οι ανθρακωρύχοι bitcoin της ASIC είναι μάρκες ενσωματωμένες σε ειδικά σχεδιασμένες μητρικές κάρτες και τροφοδοτικά , κατασκευασμένο σε μία μονάδα. Είναι ένα ειδικά σχεδιασμένο υλικό μέχρι το επίπεδο chip για εξόρυξη bitcoin. Αυτές οι μονάδες μπορούν να εκτελέσουν τον αλγόριθμο μόνο ενός κρυπτονομίσματος. Προφανώς, για έναν διαφορετικό τύπο κρυπτογράφησης, χρειαζόμαστε έναν άλλο ανθρακωρύχο.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του ASIC

ο πλεονεκτήματα της ASIC συμπεριλάβετε τα ακόλουθα.

• • Το μικρό μέγεθος της ASIC το καθιστά υψηλή επιλογή για εξελιγμένα μεγαλύτερα συστήματα.

• • Καθώς ένας μεγάλος αριθμός κυκλωμάτων είναι ενσωματωμένο σε ένα τσιπ, αυτό προκαλεί εφαρμογές υψηλής ταχύτητας.

• • Η ASIC έχει χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.

• • Καθώς είναι το σύστημα στο τσιπ, τα κυκλώματα είναι παρόντα δίπλα-δίπλα. Επομένως, απαιτείται ελάχιστη δρομολόγηση για τη σύνδεση διαφόρων κυκλωμάτων.
  • Η ASIC δεν έχει προβλήματα χρόνου και διαμόρφωση μετά την παραγωγή.

ο μειονεκτήματα του ASIC συμπεριλάβετε τα ακόλουθα.

• • Καθώς αυτά είναι προσαρμοσμένα τσιπ, παρέχουν χαμηλή ευελιξία στον προγραμματισμό.

• • Καθώς αυτά τα τσιπ πρέπει να σχεδιαστούν από το επίπεδο ρίζας έχουν υψηλό κόστος ανά μονάδα.
  • Η ASIC έχει μεγαλύτερο χρόνο στο περιθώριο αγοράς.

ASIC εναντίον FPGA

Η διαφορά μεταξύ ASIC και FPGA περιλαμβάνει τα ακόλουθα.

Έτσι, πρόκειται για μια επισκόπηση του Συγκεκριμένο ολοκληρωμένο κύκλωμα εφαρμογής . Η εφεύρεση του ASIC προκάλεσε μια τεράστια αλλαγή στον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιούνται τα ηλεκτρονικά. Χρησιμοποιούμε το ASIC στην καθημερινή μας ζωή με τη μορφή διαφόρων εφαρμογών. Ποιες εφαρμογές του ASIC έχετε συναντήσει; Με ποιον τύπο ASIC έχετε συνεργαστεί;