集成電路-專用集成電路（ASIC）簡(jiǎn)介、優(yōu)缺點(diǎn)等知識(shí)

電子產(chǎn)品生產(chǎn)革命的一項(xiàng)技術(shù)是“ 集成電路 ”。該技術(shù)通過(guò)增加每個(gè)芯片的邏輯門(mén)密度來(lái)減小電子產(chǎn)品的尺寸。今天，我們有不同類型和配置的IC。正如我們?cè)谥車^察到的那樣，我們發(fā)現(xiàn)有些IC僅可用于一種特定的應(yīng)用，而有些IC可以重新編程并用于各種應(yīng)用。這些類型的IC稱為ASIC。但是它們有何不同？如何對(duì)其進(jìn)行重新編程？為什么有些IC無(wú)法重新編程？希望找到這些問(wèn)題的答案。

什么是ASIC（專用集成電路）？

ASIC的完整形式是“ 專用集成電路”。這些電路是專用的，即為特定應(yīng)用量身定制的IC。這些通常是根據(jù)特定應(yīng)用程序的要求從根級(jí)別設(shè)計(jì)的。一些特定于應(yīng)用的基本集成電路示例包括玩具中使用的芯片，用于存儲(chǔ)器和微處理器接口的芯片等……這些芯片只能用于設(shè)計(jì)了這些芯片的那個(gè)應(yīng)用。大概，這些類型的IC僅對(duì)那些生產(chǎn)量大的產(chǎn)品是首選。由于ASIC是從根本上設(shè)計(jì)的，因此它們具有很高的成本，并且僅建議用于批量生產(chǎn)。

ASIC的主要優(yōu)點(diǎn)是減小了芯片尺寸，因?yàn)樵趩蝹€(gè)芯片上構(gòu)造了電路的大量功能單元。現(xiàn)代ASIC通常包括32位微處理器，存儲(chǔ)塊，網(wǎng)絡(luò)電路等。這類ASIC被稱為片上系統(tǒng)。隨著制造技術(shù)的發(fā)展和對(duì)設(shè)計(jì)方法的研究的不斷發(fā)展，具有不同定制級(jí)別的ASIC被開(kāi)發(fā)出來(lái)。

ASIC類型

ASIC是根據(jù)允許程序員在芯片上進(jìn)行的定制量來(lái)分類的。

全定制

在這種類型的設(shè)計(jì)中，所有邏輯單元都是為特定應(yīng)用量身定制的，即設(shè)計(jì)人員必須專門(mén)為電路制造邏輯單元。所有用于互連的掩模層都是定制的。因此程序員無(wú)法更改芯片的互連，并且在編程時(shí)必須了解電路布局。

完全定制ASIC的最佳示例之一是微處理器。這種類型的定制允許設(shè)計(jì)人員在單個(gè)IC上構(gòu)建各種模擬電路，優(yōu)化的存儲(chǔ)單元或機(jī)械結(jié)構(gòu)。該ASIC成本高昂并且制造和設(shè)計(jì)非常耗時(shí)。設(shè)計(jì)這些IC所需的時(shí)間約為八周。

這些通常用于高級(jí)應(yīng)用程序。最大的性能，最小的面積和最高的靈活性是完全定制設(shè)計(jì)的主要功能。最終，設(shè)計(jì)中的風(fēng)險(xiǎn)很高，因?yàn)槲磳?duì)邏輯單元，電阻器等使用的電路元件進(jìn)行預(yù)測(cè)試。

半定制

在這種類型的設(shè)計(jì)中，邏輯單元是從標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中獲取的，即，它們不是像完全定制設(shè)計(jì)中那樣手工制作的。有些口罩是定制的，有些則是從預(yù)先設(shè)計(jì)的庫(kù)中提取的。基于從庫(kù)中獲取的邏輯單元的類型以及互連允許的定制量，這些ASIC分為兩種類型：基于標(biāo)準(zhǔn)單元的ASIC和基于門(mén)陣列的ASIC。

1）基于標(biāo)準(zhǔn)單元的ASIC

首先要了解這些IC，讓我們了解標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)的含義。某些邏輯單元（例如與門(mén)，或門(mén)，多路復(fù)用器，觸發(fā)器）由設(shè)計(jì)人員使用不同的配置進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)，并以庫(kù)的形式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和存儲(chǔ)。該集合稱為標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)。

在基于標(biāo)準(zhǔn)單元的標(biāo)準(zhǔn)邏輯庫(kù)中，使用了這些標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的ASIC邏輯單元。在ASIC芯片上，標(biāo)準(zhǔn)單元區(qū)域或柔性塊由以行形式排列的標(biāo)準(zhǔn)單元組成。連同這些靈活的模塊，在芯片上使用大型單元，例如微控制器甚至微處理器。這些兆單元也稱為兆功能，系統(tǒng)級(jí)宏，固定塊，功能標(biāo)準(zhǔn)塊。

上圖表示具有單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元區(qū)域和四個(gè)固定塊的標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC。遮罩層是自定義的。設(shè)計(jì)人員可以在此處將標(biāo)準(zhǔn)單元放置在管芯上的任何位置。這些也稱為C-BIC。

2）基于門(mén)陣列的ASIC

這種類型的半定制ASIC 在硅晶圓上具有預(yù)定義的晶體管，即設(shè)計(jì)人員無(wú)法更改管芯上存在的晶體管的位置。基本陣列是門(mén)陣列的預(yù)定義模式，基本單元是基本陣列中最小的重復(fù)單元。

設(shè)計(jì)人員僅負(fù)責(zé)使用管芯的前幾個(gè)金屬層來(lái)改變晶體管之間的互連。設(shè)計(jì)人員從門(mén)陣列庫(kù)中進(jìn)行選擇。這些通常稱為“屏蔽門(mén)陣列”。基于門(mén)陣列的ASIC有三種類型。它們是通道化門(mén)陣列，無(wú)通道門(mén)陣列和結(jié)構(gòu)化門(mén)陣列。

a）通道門(mén)陣列

在這種類型的門(mén)陣列中，在晶體管行之間留有布線空間。這些類似于CBIC，因?yàn)樵趬K之間保留了用于互連的空間，但在通道式門(mén)陣列單元行中的高度固定，而在CBIC中，此空間可以調(diào)整。

該門(mén)陣列的一些主要特征是-該門(mén)陣列使用行之間的預(yù)定義空間進(jìn)行互連。制造時(shí)間為兩天到兩周。

b）無(wú)通道門(mén)陣列

如通道門(mén)陣列中所示，在單元的行之間沒(méi)有用于路由的剩余空間。這里的布線是從門(mén)陣列單元上方進(jìn)行的，因?yàn)槲覀兛梢宰远x金屬1和晶體管之間的連接。對(duì)于布線，我們不用使用位于布線路徑中的晶體管。生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間約為兩周。

c）結(jié)構(gòu)化門(mén)陣列

如上所示，這種類型的門(mén)陣列具有嵌入式塊以及門(mén)陣列行。結(jié)構(gòu)化門(mén)陣列具有較高的CBIC面積效率。像屏蔽門(mén)陣列一樣，它們具有較低的成本和更快的周轉(zhuǎn)時(shí)間。在此，嵌入式功能的固定大小會(huì)限制結(jié)構(gòu)化門(mén)陣列。例如，此門(mén)陣列是否包含為32k位控制器保留的區(qū)域，但是如果在應(yīng)用程序中我們僅需要16k位控制器的區(qū)域，則剩余區(qū)域?qū)⒈焕速M(fèi)。所有門(mén)陣列的周轉(zhuǎn)時(shí)間為兩天到兩周，并且全部都有定制的互連。

專用集成電路（ASIC）設(shè)計(jì)流程

逐步設(shè)計(jì)ASIC。此步驟順序稱為ASIC設(shè)計(jì)流程。下面的流程圖中給出了設(shè)計(jì)流程的步驟。

設(shè)計(jì)輸入：在此步驟中，使用諸如VHDL，Verilog和System Verilog之類的硬件描述語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的微體系結(jié)構(gòu)。

邏輯綜合：在此步驟中，將使用HDL準(zhǔn)備要使用的邏輯單元的網(wǎng)表，互連的類型以及應(yīng)用程序所需的所有其他部件。

系統(tǒng)分區(qū)：在這一步，我們將大型裸片劃分為ASIC裸片。

布局前仿真：在此步驟中，進(jìn)行仿真測(cè)試以檢查設(shè)計(jì)是否包含任何錯(cuò)誤。

平面規(guī)劃：在此步驟中，將網(wǎng)表塊安排在芯片上。

放置：在此步驟中，確定塊內(nèi)單元的位置。

路由：在此步驟中，將在塊和單元之間繪制連接。

提取：在此步驟中，我們確定電性能，例如電阻值和互連的電容值。

布局后仿真：在提交用于制造的模型之前，需要完成此仿真，以檢查系統(tǒng)是否正常運(yùn)行以及互連負(fù)載。

ASIC的優(yōu)缺點(diǎn)

ASIC的優(yōu)點(diǎn)如下：

1、 ASIC的小尺寸使其成為復(fù)雜的大型系統(tǒng)的理想選擇。

2、由于在單個(gè)芯片上構(gòu)建了大量電路，這導(dǎo)致了高速應(yīng)用。

3、 ASIC具有低功耗。

4、 由于它們是芯片上的系統(tǒng)，因此電路并排存在。因此，連接? 各種電路所需的布線極少。

5、ASIC沒(méi)有時(shí)序問(wèn)題和后期制作配置。

ASIC的缺點(diǎn)如下：

1、 由于這些是定制芯片，因此它們的編程靈活性較低。

2、 由于必須從根本上設(shè)計(jì)這些芯片，因此它們的單位成本較高。

3、ASIC擁有更大的上市時(shí)間。

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