集成電路(ASIC)芯片設計知識

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

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

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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