Uvod v specifično integrirano vezje (ASIC)

V vsakdanjem življenju naletimo na različne vrste elektronskih pripomočkov. Ena od tehnologij, ki je povzročila revolucijo v proizvodnji elektronike, je ' Integrirano vezje “. Ta tehnologija je zmanjšala velikost elektronskih izdelkov s povečanjem gostote logična vrata na čip. Danes imamo različne tipe in konfiguracije IC. Ko opažamo naokoli, ugotavljamo, da se nekatere IC lahko uporabljajo samo za eno posebno aplikacijo, medtem ko je nekatere IC mogoče reprogramirati in uporabiti za različne aplikacije. Te vrste IC so poimenovane ASIC. Toda kako se razlikujejo? Kako jih je mogoče reprogramirati? Zakaj nekaterih IC ni mogoče ponovno programirati? Poiščite odgovore na ta vprašanja.

Kaj je ASIC (integrirano vezje, specifično za aplikacijo)?

ASIC polna oblika je Integrirano vezje, specifično za aplikacijo. Ta vezja so specifična za uporabo, tj. prilagojene IC-je za določeno aplikacijo. Običajno so zasnovani na korenski ravni glede na potrebe določene aplikacije. Nekaj ​​osnovnih primeri specifičnih integriranih vezij so čipi, ki se uporabljajo v igračah, čipi, ki se uporabljajo za povezovanje pomnilnika in mikroprocesorja itd ... Ti čipi se lahko uporabljajo samo za tisto aplikacijo, za katero so zasnovani. Verjetno te vrste IC so prednostni samo za tiste izdelke, ki imajo veliko proizvodnjo. Ker so ASIC zasnovani na korenski ravni, imajo visoke stroške in so priporočljivi samo za obsežne produkcije.

Glavna prednost ASIC je zmanjšana velikost čipa, saj je večje število funkcionalnih enot vezja zgrajeno nad enim čipom. Sodobni ASIC na splošno vključuje 32-bitno različico mikroprocesor , pomnilniški bloki, omrežna vezja itd ... Takšna vrsta ASIC-ov je znana kot Sistem na čipu . Z razvojem proizvodne tehnologije in večjimi raziskavami metod oblikovanja se razvijajo ASIC-ji z ​​različnimi stopnjami prilagajanja.

Vrste ASIC

ASIC-ji so razvrščeni glede na obseg prilagajanja, ki ga programer lahko naredi na čipu.

Vrste ASIC

Popolna po meri

Pri tej vrsti zasnove so vse logične celice prilagojene za določeno aplikacijo, tj. oblikovalec mora posebej izdelati logične celice za vezja. Vse plasti maske za medsebojno povezavo so prilagojene. Tako programer ne more spremeniti medsebojnih povezav čipa in med programiranjem se mora zavedati postavitve vezja.

Eden najboljših primerov polnega ASIC po meri je mikroprocesor. Ta vrsta prilagajanja omogoča oblikovalcem, da na enem samem IC zgradijo različna analogna vezja, optimizirane pomnilniške celice ali mehanske strukture. Ta ASIC je drag in zelo dolgotrajen za izdelavo in oblikovanje. Čas, potreben za oblikovanje teh IC, je približno osem tednov.

Ti so običajno namenjeni aplikacijam na visoki ravni. Največja zmogljivost, zmanjšana površina in najvišja stopnja prilagodljivosti so glavne značilnosti celotnega oblikovanja po meri. Sčasoma je tveganje pri načrtovanju veliko, saj uporabljeni elementi vezja, uporov itd.… Niso predtestirani.

Pol-po meri

Pri tej vrsti načrtovanja se celice vzamejo iz standardnih knjižnic, tj. niso ročno izdelani kot v celoti po meri. Nekatere maske so prilagojene, nekatere pa vzete iz vnaprej zasnovane knjižnice. Glede na vrsto logičnih celic, vzetih iz knjižnice, in količino prilagajanja, ki je dovoljena za medsebojne povezave, so ti ASIC razdeljeni na dva tipa - standardni ASIC na osnovi celic in ASIC na osnovi vrat.

1). Standardni ASIC na osnovi celic

Če jih želimo najprej poznati, nam je treba razumeti, kaj pomeni standardna knjižnica celic. Nekatere logične celice, kot so IN vrata, ALI vrata , multiplekserji, natikači so oblikovalci vnaprej oblikovali z različnimi konfiguracijami, jih standardizirali in shranili v obliki knjižnice. Ta zbirka je znana kot standardna knjižnica celic.

Standardni ASIC na osnovi celic

V standardnih celicah se uporabljajo logične celice ASIC iz teh standardnih knjižnic. Na čipu ASIC je standardno območje celic ali fleksibilni blok sestavljeno iz standardnih celic, razporejenih v obliki vrstic. Skupaj s temi prilagodljivimi bloki se na čipu uporabljajo mega celice, kot so mikrokrmilniki ali celo mikroprocesorji. Te mega celice so znane tudi kot mega funkcije, makri na sistemski ravni, fiksni bloki, funkcionalni standardni bloki.

Zgornja slika predstavlja standardni ASIC celice z eno samo standardno površino celic in štirimi fiksnimi bloki. Sloji maske so prilagojeni. Tu lahko oblikovalec postavi standardne celice kamor koli na matrico. Ti so znani tudi kot C-BIC.

2). ASIC na osnovi vratnih nizov

Ta vrsta po meri ASIC je vnaprej določena tranzistorji na silicijevi rezini, tj. oblikovalec ne more spremeniti namestitve tranzistorjev, ki so prisotni na matrici. Osnovno polje je vnaprej določen vzorec vratnega polja, osnovna celica pa je najmanjša ponavljajoča se celica osnovnega polja.

Oblikovalec je odgovoren samo za spremembo medsebojne povezave med tranzistorji z uporabo prvih nekaj kovinskih slojev matrice. Oblikovalec izbira iz knjižnice matrike vrat. Ti se pogosto imenujejo Masked Gate Array. ASIC na osnovi vratnih nizov so treh vrst. So kanalizirana matrika vrat, matrika brez kanalov in strukturirana matrika vrat.

a) .Kanalizirana matrika vrat

Pri tej vrsti matrike vrat med vrsticami tranzistorjev ostane prostor za ožičenje. Ti so podobni CBIC, saj je prostor za medsebojno povezavo med bloki, vendar so v kanaliziranih vrsticah celic matrike vrat fiksno določeni po višini, medtem ko je v CBIC ta prostor mogoče prilagoditi.

Kanalizirana vrata

Nekatere glavne značilnosti te matrike vrat so - ta matrika vrat za medsebojno povezavo uporablja vnaprej določene presledke med vrsticami. Čas izdelave je dva dni do dva tedna.

b). Niz manj vhodnih kanalov

Kot je razvidno iz kanaliziranega polja vrat, ni več prostora za usmerjanje med vrsticami celic. Tu se usmerjanje izvaja od zgoraj celic matrike vrat, saj lahko prilagodimo povezavo med kovino 1 in tranzistorji. Za usmerjanje pustimo tranzistorje, ki ležijo na poti usmerjanja, neuporabljene. Čas izdelave je približno dva tedna.

Niz manj vhodnih kanalov

c). Strukturirana matrika vrat

Ta vrsta matrike vrat ima vdelani blok skupaj z vrsticami matrike vrat, kot je prikazano zgoraj. Strukturirana matrika vrat ima večjo izkoristkovno območje CBIC. Tako kot maskirana vrata imajo tudi ti nižje stroške in hitrejši preobrat. Tu fiksna velikost vdelane funkcije predstavlja omejitev za strukturirano matriko vrat. Na primer, ali ta matrika vrat vsebuje območje, rezervirano za 32-bitni krmilnik, če pa v aplikaciji potrebujemo le območje za 16-bitni krmilnik, ostane preostalo območje zapravljeno. Vsa matrika vrat ima čas obrata od dveh dni do dveh tednov in vsi imajo prilagojene medsebojne povezave.

Strukturirana matrika vrat

Programabilni ASIC

Obstajata dve vrsti programabilnih ASIC-jev. So PLD in FPGA

PLD-ji (programabilne logične naprave)

To so standardne celice, ki so na voljo. PLD lahko programiramo za prilagajanje dela aplikacije, zato se štejejo za ASIC. Za programiranje PLD lahko uporabimo različne metode in programsko opremo. Vsebujejo navadno matrico logičnih celic, ki so običajno programabilne logične matrike, skupaj z natikači ali zapahi. Tu so medsebojne povezave prisotne kot en sam velik blok.
PROM je pogost primer tega IC. EPROM uporablja MOS tranzistorje kot medsebojno povezavo, tako da ga lahko z visoko napetostjo programiramo. PLD-ji nimajo prilagojenih logičnih celic ali medsebojnih povezav. Ti imajo hiter preoblikovalni dizajn.

Programabilne logične naprave

FPGA (Field Programmable Gate Array)

Kjer imajo PLD-ji kot logične celice programljivo logično matriko FPGA ima razporeditev v obliki vrat. PLD-ji so manjši in manj zapleteni kot FPGA-ji. Zaradi prilagodljivosti in lastnosti FPGA nadomešča TTL v mikroelektronskih sistemih. Preoblikovalni preobrat je le nekaj ur.

Poljsko programljivo matriko vrat

Jedro je sestavljeno iz programabilnih osnovnih logičnih celic, ki lahko izvajajo oboje kombinacijski in zaporedna logika . Z nekaterimi metodami lahko programiramo logične celice in se medsebojno povezujemo. Osnovne logične celice so obdane z matriko programabilnih medsebojnih povezav, jedro pa s programirljivimi V / I celicami.

FPGA običajno vsebuje nastavljive logične bloke, nastavljive V / I bloke, programabilne medsebojne povezave, urno vezje, ALU, pomnilnik, dekoderje.

Videli smo različne vrste ASIC, ki so na voljo. Zdaj pa razumejmo, kdaj so vse te prilagoditve in medsebojne povezave opravljene med izdelavo.

Potek zasnove integriranega vezja (ASIC), specifičnega za aplikacijo

Oblikovanje ASIC se izvaja postopoma. Ta vrstni red korakov je znan kot ASIC oblikovanje Pretok. Koraki načrtovanja poteka so podani v spodnjem diagramu poteka.

ASIC Design Flow

Pristop k oblikovanju: V tem koraku se mikroarhitektura zasnove izvaja z uporabo jezikov za opis strojne opreme, kot so VHDL, Verilog in System Verilog.
Logična sinteza: V tem koraku se s pomočjo HDL pripravi mrežni seznam logičnih celic, ki jih je treba uporabiti, vrste medsebojnih povezav in vsi drugi deli, potrebni za aplikacijo.
Sistemska particija: V tem koraku delimo veliko matrico na koščke velikosti ASIC.
Simulacija pred postavitvijo: V tem koraku se izvede simulacijski test, da se preveri, ali načrt vsebuje napake.
Tloris: V tem koraku so na čipu razporejeni bloki netlista.
Umestitev: V tem koraku se določi lokacija celic znotraj bloka.
Usmerjanje: V tem koraku se narišejo povezave med bloki in celicami. Pridobivanje: V tem koraku določimo električne lastnosti, kot sta vrednost upora in vrednost kapacitivnosti medsebojnega priključka.
Simulacija po postavitvi: Pred oddajo modela za izdelavo se izvede ta simulacija, da se preveri, ali sistem deluje pravilno skupaj z obremenitvijo medsebojnih povezav.

Primeri ASIC

Ko smo poznali različne značilnosti ASIC, si oglejmo nekaj primerov ASIC.
Standardni ASIC na osnovi celic: LCB 300k, 500k od LSI Logic Company, SIG1, 2, 3 družine od ABB Hafo Inc., GCS90K od GCS Plessey.
Izdelki za vrata: AUA20K iz Harris Semiconductor, SCX6Bxx iz National Semiconductors, družine TGC / TEC iz Texas Instruments.
PLD izdelki: Družina naprednih mikro naprav PAL, družina GAL od Philips Semiconductors, XC7300 in EPLD od XILINX.
Izdelki FPGA: XC2000, XC3000, XC4000, XC5000 serije XILINX, pASIC1 QuickLogic, MAX5000 Altera.

Aplikacije ASIC

Edinstvenost ASIC je revolucionirala način proizvodnje elektronike. Ti so zmanjšali velikost matrice in hkrati povečali gostoto logična vrata na čip. ASIC-i so običajno prednostni za aplikacije na visoki ravni. Čip ASIC se uporablja kot jedra IP za satelite, izdelavo ROM-ov, Mikrokrmilnik in različne vrste aplikacij v medicinskem in raziskovalnem sektorju. Ena izmed trendnih aplikacij ASIC-a je BITCOIN MINER.

Bitcoin Miner

Za pridobivanje kriptovalut je potrebna večja moč in hitra strojna oprema. CPU za splošno uporabo ne more zagotoviti tako večje računalniške zmogljivosti pri visoki hitrosti. ASIC bitcoin rudarji so čipi, vgrajeni v posebej zasnovane matične plošče in napajalniki , zgrajena v eno samo enoto. Gre za namensko zasnovano strojno opremo vse do ravni čipov za rudarjenje bitcoinov. Te enote lahko izvajajo algoritem samo ene kriptovalute. Verjetno za drugo vrsto kriptovalut potrebujemo drugega rudarja.

Prednosti in slabosti ASIC

The prednosti ASIC vključujejo naslednje.

• • Zaradi majhnosti ASIC je velika izbira za prefinjene večje sisteme.

• • Ker veliko število vezij, zgrajenih na enem čipu, povzroča visoke hitrosti.

• • ASIC ima majhno porabo energije.

• • Ker so sistem na čipu, so vezja prisotna drug ob drugem. Torej je za povezavo različnih vezij potrebno zelo minimalno usmerjanje.
  • ASIC nima težav s časovnim razporedom in post-produkcijsko konfiguracijo.

The slabosti ASIC vključujejo naslednje.

• • Ker gre za prilagojene čipe, zagotavljajo majhno prilagodljivost pri programiranju.

• • Ker morajo biti ti čipi zasnovani na korenski ravni, imajo visoko ceno na enoto.
  • ASIC ima več časa za tržno maržo.

ASIC vs FPGA

Razlika med ASIC in FPGA vključuje naslednje.

Tu gre torej za pregled nad Integrirano vezje, specifično za aplikacijo . Izum ASIC je povzročil izjemno spremembo v načinu uporabe elektronike. ASIC v vsakdanjem življenju uporabljamo v obliki različnih aplikacij. S katerimi aplikacijami ASIC ste že naleteli? S katero vrsto ASIC ste že sodelovali?