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各類型專用集成電路(ASIC)芯片設計概念全集

HOTKING2019-10-28 16:57:07.0集成電路

推動電子產品生產革命的技術之一是“ 集成電路 ”。該技術通過增加每個芯片的邏輯門密度來減小電子產品的尺寸。今天我們有不同類型和配置的IC。正如我們觀察到的那樣,我們發現一些IC只能用于一個特定的應用,而一些IC可以重新編程并用于各種應用。這些類型的IC被命名為ASIC。

在我們的日常生活中,我們遇到了各種類型的電子產品。推動電子產品生產革命的技術之一是“ 集成電路 ”。該技術通過增加每個芯片的邏輯門密度來減小電子產品的尺寸。今天我們有不同類型和配置的IC。正如我們觀察到的那樣,我們發現一些IC只能用于一個特定的應用,而一些IC可以重新編程并用于各種應用。這些類型的IC被命名為ASIC。但他們有什么不同?怎么可能重新編程呢?為什么有些IC無法重新編程?繼續尋找這些問題的答案。

什么是ASIC(專用集成電路)?

ASIC完整形式是專用集成電路。這些電路是特定應用的。為特定應用定制的IC。這些通常根據特定應用程序的要求從根級設計。一些基本的專用集成電路示例是玩具中使用的芯片,用于存儲器和微處理器接口的集成電路芯片等......這些芯片只能用于設計這些集成電路芯片的應用。據推測,這些類型的IC僅適用于那些生產規模大的產品。由于ASIC是從根本級設計的,因此成本較高,僅推薦用于大批量生產。

ASIC的主要優點是減小了芯片尺寸,因為電路的大量功能單元是在單個芯片上構建的。現代ASIC通常包括32位微處理器,存儲器塊,網絡電路等......這種類型的ASIC被稱為片上系統。隨著制造技術的發展和集成電路設計方法的不斷研究,開發出具有不同定制水平的ASIC。

ASIC的類型

ASIC基于允許程序員在芯片上進行的定制量來分類。

ASIC集成電路的類型
ASIC的類型

完全自定義

在這種類型的設計中,所有邏輯單元都是針對特定應用而定制的。設計人員必須專門為電路制作邏輯單元。用于互連的所有掩模層都是定制的。因此,程序員無法改變芯片的互連,而在編程時他必須了解電路布局。

全定制ASIC的最佳示例之一是微處理器。這種定制允許設計人員在單個IC上構建各種模擬電路,優化的存儲器單元或機械結構。該ASIC制造和設計成本高且非常耗時。設計這些IC的時間大約是八周。

這些通常用于高級應用程序。最佳性能,最小化面積和最高靈活性是完全定制設計的主要特征。最終,設計風險很高,因為所使用的邏輯單元,電阻器等電路元件未經過預先測試。

半定制

在這種類型的設計中,邏輯單元取自標準庫。它們不是完全自定義設計中的手工制作。一些面具是自定義的,而一些是從預先設計的庫中獲取的。基于從庫中獲取的邏輯單元的類型和互連所允許的定制量,這些ASIC分為兩種類型 - 基于標準單元的ASIC和基于門陣列的ASIC。

1)基于標準單元的ASIC

要了解這些IC,首先要讓我們了解標準單元庫的含義。一些邏輯單元,例如AND門,OR門,多路復用器,觸發器,由設計人員使用不同的配置進行預先設計,標準化并以庫的形式存儲。該集合稱為標準單元庫。

基于標準單元的ASIC集成電路芯片
基于標準單元的ASIC

在基于標準單元的ASIC邏輯單元中,使用來自這些標準庫的單元。在ASIC芯片上,標準單元區域或柔性塊由以行的形式排列的標準單元組成。除了這些靈活的塊之外,像微控制器甚至微處理器這樣的巨型單元也被用在芯片上。這些兆單元也稱為Mega函數,系統級宏,固定塊,功能標準塊。

上圖表示具有單個標準單元區域和四個固定塊的標準單元ASIC。掩模層是定制的。設計人員可以在芯片上的任何位置放置標準單元。這些也稱為C-BIC。

2)基于門陣列的ASIC

這種半定制ASIC 在硅晶片上具有預定義的晶體管。設計者不能改變管芯上存在的晶體管的位置。基本陣列是門陣列的預定義模式,基本單元是基本陣列的最小重復單元。

設計人員只負責使用芯片的前幾個金屬層來改變晶體管之間的互連。設計師從門陣列庫中選擇。這些通常稱為蒙板門陣列。基于門陣列的ASIC有三種類型。它們是通道門陣列,無通道門陣列和結構化門陣列。

A)Channeled門陣列

在這種類型的門陣列中,布線空間留在晶體管行之間。這些類似于CBIC,因為空間留給了塊之間的互連,但是通道門陣列單元行的高度是固定的,而在CBIC中,這個空間可以調整。


通道門陣列

該門陣列的一些主要特征是 - 該門陣列使用行之間的預定義空間進行互連。制造時間為兩天到兩周。

B)通道更少的門陣列

如在通道門陣列中看到的那樣,在單元行之間沒有留下用于布線的空閑空間。這里,從門陣列單元上方完成布線,因為我們可以定制金屬1和晶體管之間的連接。對于布線,我們將晶體管放置在未使用的布線路徑中。制造前置時間約為兩周。


通道更少的門陣列

C)結構化門陣列

如上所示,這種類型的門陣列具有嵌入塊以及門陣列行。結構化門陣列具有更高的CBIC面積效率。與Masked門陣列一樣,它們具有更低的成本和更快的周轉時間。這里,嵌入式功能的固定大小對結構化門陣列構成限制。例如,這個門陣列是否包含為32k位控制器保留的區域,但如果在應用程序中我們只需要16k位控制器的區域,則剩余區域將被浪費。所有門陣列的周轉時間為兩天到兩周,都有定制的互連。


結構化門陣列

可編程ASIC

有兩種類型的可編程ASIC。它們是PLD和FPGA:

PLD(可編程邏輯器件)

這些是現成的標準細胞。我們可以對PLD進行編程以定制應用程序的一部分,因此它們被視為ASIC。我們可以使用不同的方法和軟件來編程PLD。它們包含常規的邏輯單元矩陣,通常是可編程陣列邏輯以及觸發器或鎖存器。這里互連作為單個大塊存在。

PROM是該IC的常見示例。EPROM使用MOS晶體管作為互連,因此通過施加高電壓,我們可以對其進行編程。PLD沒有定制的邏輯單元或互連。這些都有一個快速的設計周轉。

可編程邏輯器件
可編程邏輯器件

FPGA(現場可編程門陣列)

其中PLD具有可編程陣列邏輯作為邏輯單元FPGA具有類似門陣列的布置。PLD比FPGA更小,更簡單。由于其靈活性和特性,FPGA正在取代微電子系統中的TTL。設計周轉只有幾個小時。


現場可編程門陣列

核心由可編程基本邏輯單元組成,可以執行組合邏輯和順序邏輯。我們可以使用某些方法編程邏輯單元和互連。基本邏輯單元被可編程互連矩陣包圍,并且核心被可編程I / O單元包圍。

FPGA通常包括可配置邏輯塊,可配置I / O塊,可編程互連,時鐘電路,ALU,存儲器,解碼器。

我們已經看到了不同類型的ASIC。現在讓我們了解在制造過程中完成所有這些自定義和互連的時間。

專用集成電路(ASIC)設計流程

設計ASIC以逐步的方式進行。這種步驟順序稱為ASIC設計流程。設計流程的步驟在下面的流程圖中給出。

ASIC集成電路設計流程
ASIC設計流程

設計輸入:在此步驟中,設計的微體系結構使用硬件描述語言(如VHDL,Verilog和System Verilog)實現。

邏輯綜合:在此步驟中,使用HDL準備要使用的邏輯單元的網表,互連類型和應用所需的所有其他部分。

系統分區:在這一步,我們將大尺寸的芯片分成ASIC尺寸的芯片。

布局前模擬:在此步驟中,進行模擬測試以檢查設計是否包含任何錯誤。

平面規劃:在此步驟中,網表上的塊排列在芯片上。

放置:在此步驟中,確定塊內單元格的位置。

路由:在此步驟中,在塊和單元之間繪制連接。提取:在此步驟中,我們確定電阻值和互連電容值等電氣特性。

布局后模擬:在提交制造模型之前,進行模擬以檢查系統是否與互連負載一起正常運行。

ASIC的例子

現在已經了解了ASIC的不同特性,讓我們看一些ASIC的例子。

標準單元ASIC: LCB 300k,500k來自LSI Logic公司,SIG1,2,3個來自ABB Hafo Inc.,GCS90K來自GCS Plessey。

門陣列產品: Harris Semiconductor的AUA20K,National Semiconductors的SCX6Bxx,德州儀器的TGC / TEC系列。

PLD產品: Advanced系列的PAL系列,飛利浦半導體的GAL系列,XC7300的XC7300和XILINX的EPLD。

FPGA產品: XILINX的XC2000,XC3000,XC4000,XC5000系列,QuickLogic的pASIC1,Altera的MAX5000。

ASIC的應用

ASIC的獨特性徹底改變了電子產品的制造方式。這些減小了芯片尺寸,同時增加了每個芯片的邏輯門密度。ASIC通常是高級應用的首選。ASIC芯片用作衛星,ROM制造,微控制器和醫療和研究領域的各種應用的IP核。ASIC的趨勢應用之一是BITCOIN MINER。

比特幣礦工

加密貨幣的挖掘需要更大的功率和高速硬件。通用CPU不能以高速提供如此高的計算能力。ASIC比特幣礦工是專門設計的主板和電源中的芯片,構建在一個單元中。它是一種專門設計的硬件,直到芯片級別,用于比特幣挖掘。這些單元只能執行單一加密貨幣的算法。對于不同類型的加密貨幣,我們可能需要另一個礦工。

ASIC的優點和缺點

ASIC的優點包括以下內容:

? 小尺寸的ASIC使其成為復雜大型系統的高選擇。

? 由于在單個芯片上構建了大量電路,因此會導致高速應用。

? ASIC具有低功耗。

? 因為它們是芯片上的系統,所以電路并排存在。因此,需要非常小的路由來連接各種電路。

? ASIC沒有時序問題和后期制作配置。

ASIC的缺點包括以下內容:

? 由于這些是定制芯片,因此它們為編程提供低靈活性。

? 由于這些芯片必須從根部設計,因此每單位成本高。

? ASIC具有更長的上市時間。

ASIC與FPGA

ASIC和FPGA之間的區別包括以下內容。

ASIC和FPGA的區別表
ASIC和FPGA的區別表

因此,這完全是關于專用集成電路的概述。ASIC的發明引起了電子設備使用方式的巨大變化。我們以各種應用的形式在日常生活中使用ASIC。您遇到過哪些ASIC集成電路應用?您使用的是哪種類型的ASIC集成電路呢?
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