什么是ASIC？

電子行業(yè)一直專注于小型化。這種小型化是由在最小尺寸中集成最大邏輯的愿望驅(qū)動的。盡管如此，在 2021 年，該行業(yè)還沒有為摩爾定律的終結(jié)做好準(zhǔn)備，盡管研發(fā)成本逐漸上升以繼續(xù)沿著這條道路前進。

晶體管邏輯在微型芯片中實現(xiàn)計算的能力首先導(dǎo)致了 CPU 的發(fā)展。CPU 與 MPU 和微控制器等其他外圍設(shè)備捆綁在一起為時不晚。在 MPU 繼續(xù)滿足通用計算需求的同時，微控制器則專注于特定應(yīng)用和面向行業(yè)的細分市場。這些細分市場迫使半導(dǎo)體制造商在數(shù)字 IC 中以專用集成電路 (ASIC) 和 FPGA 的形式開發(fā)更具體和高性能的設(shè)計。

據(jù)最新統(tǒng)計，通用計算僅占半導(dǎo)體市場份額的21%。相比之下，無線通信、工業(yè)電子、消費電子、汽車電子等其他細分市場占其余部分。雖然存儲器和邏輯 IC 市場在 2018 年的最高收入分別約為 1700 億美元和 1000 億美元，但專用邏輯以大約 950 億美元的收入位居第三。微處理器的收入只有一半，而微控制器的收入與 ASIC 相比甚至不到三分之一。

除了嵌入式控制之外，ASIC 還新發(fā)現(xiàn)用于 AI 推理、高速搜索以及視覺和圖像處理等應(yīng)用。在嵌入式系統(tǒng)中，CPU 和 MCU 在低成本、低功耗的移動應(yīng)用中處于領(lǐng)先地位。ASIC 在非消費應(yīng)用中仍然占主導(dǎo)地位。ASIC 在大容量視覺和圖像處理應(yīng)用中尤其占有一席之地。

ASIC 的市場份額超過了微處理器和微控制器，似乎非常重要。讓我們看看 ASIC 到底是什么！

什么是ASIC？

集成電路可以設(shè)計為迎合許多應(yīng)用程序或服務(wù)于單個應(yīng)用程序。為實現(xiàn)特定應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字集成電路稱為專用集成電路 (ASIC)。從根本上講，這些 IC 是為實現(xiàn)特定用例而量身定制的。這些芯片通常容納許多功能單元，如處理器、通信外圍設(shè)備、內(nèi)存等，都密集地封裝在一個芯片上。這些類型的 ASIC 稱為片上系統(tǒng) (SoC)。ASIC 成本高，最適合大規(guī)模應(yīng)用。通常，ASIC 設(shè)計為適合特定產(chǎn)品。

不同類型的 ASIC

在計算方面，ASIC 實際上不是可編程芯片。但是，這些可以由用戶自定義以最適合各自的用例。定制是使用電子設(shè)計自動化 (EDA) 工具完成的，芯片設(shè)計由用戶使用硬件描述語言 (HDL) 指定。定制級別決定了 ASIC 的類型。ASIC 可以是以下類型之一——

1. 全定制

2. 半定制

3. 可編程的

全定制 ASIC

所有邏輯單元都是為特定應(yīng)用而設(shè)計的，在完全定制的 ASIC 中具有固定的電路布局。程序員不能改變芯片的互連。此類設(shè)計適用于存儲芯片、傳感器和傳感器、電源管理 IC、模擬處理器和微處理器等應(yīng)用。使用全定制 ASIC 的優(yōu)勢在于以最小的芯片尺寸獲得盡可能高的性能。然而，這一切都取代了復(fù)雜的設(shè)計、更長的上市時間和高昂的成本。這就是為什么這些 ASIC 專為高級和大容量應(yīng)用而設(shè)計的原因。

半定制 ASIC

在這些類型的 ASIC 中，邏輯單元不是完全定制的。它們?nèi)∽詷?biāo)準(zhǔn)庫，它們之間的互連既是定制的又是標(biāo)準(zhǔn)的。與可能在晶體管級別完成設(shè)計的全定制 ASIC 相比，所涉及的最低設(shè)計是半定制 ASIC 中的邏輯或門。這種方法有助于減少設(shè)計全定制 ASIC 所涉及的時間和成本。根據(jù)設(shè)計方法，半定制 ASIC 可以有兩種類型：

1. 基于標(biāo)準(zhǔn)單元的 ASIC——這些 ASIC 是使用標(biāo)準(zhǔn)單元庫設(shè)計的。邏輯單元，如邏輯門、多路復(fù)用器、多路分解器、寄存器等，是從單元庫中預(yù)先設(shè)計的。邏輯單元甚至可以是微處理器或微控制器。這種大小的邏輯單元稱為兆單元。所有邏輯單元都排列成行，程序員可以在其中自定義塊在自定義掩模層上的位置。

2. 基于門陣列的 ASIC——在這些 ASIC 中，邏輯單元在芯片上具有固定的位置，設(shè)計人員可以使用掩膜層更改塊之間的互連。基本單元是重復(fù)形成基本陣列的晶體管。這定義了設(shè)計人員互連的門陣列模式以完成 IC 設(shè)計。門陣列 IC 分為三種類型——通道門陣列、無通道門陣列和結(jié)構(gòu)化門陣列。

可編程 ASIC

這些 ASIC 通常用于原型設(shè)計。設(shè)計人員可以以編程方式完全自定義設(shè)計。可編程 ASIC 有兩種類型：

1. 可編程邏輯器件 (PLD)——這些 ASIC 沒有定制的邏輯單元或互連。有一個規(guī)則的邏輯單元矩陣，可以使用軟件進行編程。設(shè)計人員可以自定義模塊并定義互連。這允許產(chǎn)生特定于特定應(yīng)用的設(shè)計。PLD 本身用作標(biāo)準(zhǔn)單元并有助于快速設(shè)計。PLD 的一些很好的例子是 PROM 和 EPROM。

2. 現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) – FPGA 由可編程門陣列組成，由可編程互連包圍。門陣列用作可編程邏輯單元，可以定制為具有組合邏輯或時序邏輯。也可以使用一些方法對周圍的互連進行編程。FPGA 對于可能在幾個小時內(nèi)完成的令人難以置信的快速設(shè)計非常有用。

基于門陣列的 ASIC 的類型

基于門陣列的 ASIC 分為三種類型：

1. 通道門陣列——在通道門陣列中，固定高度的邏輯塊排列成陣列，它們之間有空間用于互連。

2. 無通道門陣列——在無通道門陣列中，邏輯塊的行之間沒有空間。相反，通過將晶體管放置在互連未使用的路徑中，在邏輯單元上完成布線。

3. 結(jié)構(gòu)化門陣列——在結(jié)構(gòu)化門陣列中，裸片上的一些空間留給固定的嵌入式塊，其余的門陣列塊可用于布線。嵌入式模塊的使用減少了設(shè)計時間，盡管它可能不會產(chǎn)生最佳優(yōu)化的設(shè)計。

結(jié)論

ASIC 通常涉及重用高級組件的芯片設(shè)計。這些組件具有寄存器、計數(shù)器、多路復(fù)用器、浮點運算單元和算術(shù)邏輯單元的門級復(fù)雜性。高級組件通常可用作知識產(chǎn)權(quán) (IP) 內(nèi)核。該設(shè)計公司擁有設(shè)計 ASIC 所涉及的 IP 核的版權(quán)。各個模塊根據(jù)客戶的設(shè)計相互連接，客戶必須為每一個出貨的芯片向設(shè)計公司支付專利費。

ASIC 在半導(dǎo)體行業(yè)占有很大的市場份額。即使不是通用計算，ASIC 也服務(wù)于各種其他細分市場以及嵌入式控制中的高級組件。ASIC 專為特定用例設(shè)計、定制和生產(chǎn)，并直接適用于特定最終產(chǎn)品。