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各类型专用集成电路(ASIC)芯片设计概念全集

HOTKING2019-12-10 09:46:20集成电路

推动电子产品生产革命的技术之一是“ 集成电路 ”。该技术通过增加每个芯片的逻辑门密度来减小电子产品的尺寸。今天我们有不同类型和配置的IC。正如我们观察到的那样,我们发现一些IC只能用于一个特定的应用,而一些IC可以重新编程并用于各种应用。这些类型的IC被命名为ASIC。

在我们的日常生活中,我们遇到了各种类型的电子产品。推动电子产品生产革命的技术之一是“ 集成电路 ”。该技术通过增加每个芯片的逻辑门密度来减小电子产品的尺寸。今天我们有不同类型和配置的IC。正如我们观察到的那样,我们发现一些IC只能用于一个特定的应用,而一些IC可以重新编程并用于各种应用。这些类型的IC被命名为ASIC。但他们有什么不同?怎么可能重新编程呢?为什么有些IC无法重新编程?继续寻找这些问题的答案。

什么是ASIC(专用集成电路)?

ASIC完整形式是专用集成电路。这些电路是特定应用的。为特定应用定制的IC。这些通常根据特定应用程序的要求从根级设计。一些基本的专用集成电路示例是玩具中使用的芯片,用于存储器和微处理器接口的集成电路芯片等......这些芯片只能用于设计这些集成电路芯片的应用。据推测,这些类型的IC仅适用于那些生产规模大的产品。由于ASIC是从根本级设计的,因此成本较高,仅推荐用于大批量生产。

ASIC的主要优点是减小了芯片尺寸,因为电路的大量功能单元是在单个芯片上构建的。现代ASIC通常包括32位微处理器,存储器块,网络电路等......这种类型的ASIC被称为片上系统。随着制造技术的发展和集成电路设计方法的不断研究,开发出具有不同定制水平的ASIC。

ASIC的类型

ASIC基于允许程序员在芯片上进行的定制量来分类。

ASIC集成电路的类型
ASIC的类型

完全自定义

在这种类型的设计中,所有逻辑单元都是针对特定应用而定制的。设计人员必须专门为电路制作逻辑单元。用于互连的所有掩模层都是定制的。因此,程序员无法改变芯片的互连,而在编程时他必须了解电路布局。

全定制ASIC的最佳示例之一是微处理器。这种定制允许设计人员在单个IC上构建各种模拟电路,优化的存储器单元或机械结构。该ASIC制造和设计成本高且非常耗时。设计这些IC的时间大约是八周。

这些通常用于高级应用程序。最佳性能,最小化面积和最高灵活性是完全定制设计的主要特征。最终,设计风险很高,因为所使用的逻辑单元,电阻器等电路元件未经过预先测试。

半定制

在这种类型的设计中,逻辑单元取自标准库。它们不是完全自定义设计中的手工制作。一些面具是自定义的,而一些是从预先设计的库中获取的。基于从库中获取的逻辑单元的类型和互连所允许的定制量,这些ASIC分为两种类型 - 基于标准单元的ASIC和基于门阵列的ASIC。

1)基于标准单元的ASIC

要了解这些IC,首先要让我们了解标准单元库的含义。一些逻辑单元,例如AND门,OR门,多路复用器,触发器,由设计人员使用不同的配置进行预先设计,标准化并以库的形式存储。该集合称为标准单元库。

基于标准单元的ASIC集成电路芯片
基于标准单元的ASIC

在基于标准单元的ASIC逻辑单元中,使用来自这些标准库的单元。在ASIC芯片上,标准单元区域或柔性块由以行的形式排列的标准单元组成。除了这些灵活的块之外,像微控制器甚至微处理器这样的巨型单元也被用在芯片上。这些兆单元也称为Mega函数,系统级宏,固定块,功能标准块。

上图表示具有单个标准单元区域和四个固定块的标准单元ASIC。掩模层是定制的。设计人员可以在芯片上的任何位置放置标准单元。这些也称为C-BIC。

2)基于门阵列的ASIC

这种半定制ASIC 在硅晶片上具有预定义的晶体管。设计者不能改变管芯上存在的晶体管的位置。基本阵列是门阵列的预定义模式,基本单元是基本阵列的最小重复单元。

设计人员只负责使用芯片的前几个金属层来改变晶体管之间的互连。设计师从门阵列库中选择。这些通常称为蒙板门阵列。基于门阵列的ASIC有三种类型。它们是通道门阵列,无通道门阵列和结构化门阵列。

A)Channeled门阵列

在这种类型的门阵列中,布线空间留在晶体管行之间。这些类似于CBIC,因为空间留给了块之间的互连,但是通道门阵列单元行的高度是固定的,而在CBIC中,这个空间可以调整。


通道门阵列

该门阵列的一些主要特征是 - 该门阵列使用行之间的预定义空间进行互连。制造时间为两天到两周。

B)通道更少的门阵列

如在通道门阵列中看到的那样,在单元行之间没有留下用于布线的空闲空间。这里,从门阵列单元上方完成布线,因为我们可以定制金属1和晶体管之间的连接。对于布线,我们将晶体管放置在未使用的布线路径中。制造前置时间约为两周。


通道更少的门阵列

C)结构化门阵列

如上所示,这种类型的门阵列具有嵌入块以及门阵列行。结构化门阵列具有更高的CBIC面积效率。与Masked门阵列一样,它们具有更低的成本和更快的周转时间。这里,嵌入式功能的固定大小对结构化门阵列构成限制。例如,这个门阵列是否包含为32k位控制器保留的区域,但如果在应用程序中我们只需要16k位控制器的区域,则剩余区域将被浪费。所有门阵列的周转时间为两天到两周,都有定制的互连。


结构化门阵列

可编程ASIC

有两种类型的可编程ASIC。它们是PLD和FPGA:

PLD(可编程逻辑器件)

这些是现成的标准细胞。我们可以对PLD进行编程以定制应用程序的一部分,因此它们被视为ASIC。我们可以使用不同的方法和软件来编程PLD。它们包含常规的逻辑单元矩阵,通常是可编程阵列逻辑以及触发器或锁存器。这里互连作为单个大块存在。

PROM是该IC的常见示例。EPROM使用MOS晶体管作为互连,因此通过施加高电压,我们可以对其进行编程。PLD没有定制的逻辑单元或互连。这些都有一个快速的设计周转。

可编程逻辑器件
可编程逻辑器件

FPGA(现场可编程门阵列)

其中PLD具有可编程阵列逻辑作为逻辑单元FPGA具有类似门阵列的布置。PLD比FPGA更小,更简单。由于其灵活性和特性,FPGA正在取代微电子系统中的TTL。设计周转只有几个小时。


现场可编程门阵列

核心由可编程基本逻辑单元组成,可以执行组合逻辑和顺序逻辑。我们可以使用某些方法编程逻辑单元和互连。基本逻辑单元被可编程互连矩阵包围,并且核心被可编程I / O单元包围。

FPGA通常包括可配置逻辑块,可配置I / O块,可编程互连,时钟电路,ALU,存储器,解码器。

我们已经看到了不同类型的ASIC。现在让我们了解在制造过程中完成所有这些自定义和互连的时间。

专用集成电路(ASIC)设计流程

设计ASIC以逐步的方式进行。这种步骤顺序称为ASIC设计流程。设计流程的步骤在下面的流程图中给出。

ASIC集成电路设计流程
ASIC设计流程

设计输入:在此步骤中,设计的微体系结构使用硬件描述语言(如VHDL,Verilog和System Verilog)实现。

逻辑综合:在此步骤中,使用HDL准备要使用的逻辑单元的网表,互连类型和应用所需的所有其他部分。

系统分区:在这一步,我们将大尺寸的芯片分成ASIC尺寸的芯片。

布局前模拟:在此步骤中,进行模拟测试以检查设计是否包含任何错误。

平面规划:在此步骤中,网表上的块排列在芯片上。

放置:在此步骤中,确定块内单元格的位置。

路由:在此步骤中,在块和单元之间绘制连接。提取:在此步骤中,我们确定电阻值和互连电容值等电气特性。

布局后模拟:在提交制造模型之前,进行模拟以检查系统是否与互连负载一起正常运行。

ASIC的例子

现在已经了解了ASIC的不同特性,让我们看一些ASIC的例子。

标准单元ASIC: LCB 300k,500k来自LSI Logic公司,SIG1,2,3个来自ABB Hafo Inc.,GCS90K来自GCS Plessey。

门阵列产品: Harris Semiconductor的AUA20K,National Semiconductors的SCX6Bxx,德州仪器的TGC / TEC系列。

PLD产品: Advanced系列的PAL系列,飞利浦半导体的GAL系列,XC7300的XC7300和XILINX的EPLD。

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

ASIC的应用

ASIC的独特性彻底改变了电子产品的制造方式。这些减小了芯片尺寸,同时增加了每个芯片的逻辑门密度。ASIC通常是高级应用的首选。ASIC芯片用作卫星,ROM制造,微控制器和医疗和研究领域的各种应用的IP核。ASIC的趋势应用之一是BITCOIN MINER。

比特币矿工

加密货币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计算能力。ASIC比特币矿工是专门设计的主板和电源中的芯片,构建在一个单元中。它是一种专门设计的硬件,直到芯片级别,用于比特币挖掘。这些单元只能执行单一加密货币的算法。对于不同类型的加密货币,我们可能需要另一个矿工。

ASIC的优点和缺点

ASIC的优点包括以下内容:

• 小尺寸的ASIC使其成为复杂大型系统的高选择。

• 由于在单个芯片上构建了大量电路,因此会导致高速应用。

• ASIC具有低功耗。

• 因为它们是芯片上的系统,所以电路并排存在。因此,需要非常小的路由来连接各种电路。

• ASIC没有时序问题和后期制作配置。

ASIC的缺点包括以下内容:

• 由于这些是定制芯片,因此它们为编程提供低灵活性。

• 由于这些芯片必须从根部设计,因此每单位成本高。

• ASIC具有更长的上市时间。

ASIC与FPGA

ASIC和FPGA之间的区别包括以下内容。

ASIC和FPGA的区别表
ASIC和FPGA的区别表

因此,这完全是关于专用集成电路的概述。ASIC的发明引起了电子设备使用方式的巨大变化。我们以各种应用的形式在日常生活中使用ASIC。您遇到过哪些ASIC集成电路应用?您使用的是哪种类型的ASIC集成电路呢?