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動的。盡管如此，在 2021 年，該行業(yè)還沒有為摩爾定律的終結做好準備，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)計算的能力首先導致了 CPU 的發(fā)展。CPU 與 MPU 和微控制器等其他外圍設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用和面向行業(yè)的細分市場。這些細分市場迫使半導體制造商在數(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計。

據(jù)最新統(tǒng)計，通用計算僅占半導體市場份額的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用。在嵌入式系統(tǒng)中，CPU 和 MCU 在低成本、低功耗的移動應用中處于領先地位。ASIC 在非消費應用中仍然占主導地位。ASIC 在大容量視覺和圖像處理應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？

集成電路可以設計為迎合許多應用程序或服務于單個應用程序。為實現(xiàn)特定應用而設計的數(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、通信外圍設備、內存等，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)模應用。通常，ASIC 設計為適合特定產品。

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。定制是使用電子設計自動化 (EDA) 工具完成的，芯片設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用而設計的，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，這一切都取代了復雜的設計、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用而設計的原因。

半定制 ASIC

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

1. 基于標準單元的 ASIC——這些 ASIC 是使用標準單元庫設計的。邏輯單元，如邏輯門、多路復用器、多路分解器、寄存器等，是從單元庫中預先設計的。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，設計人員可以使用掩膜層更改塊之間的互連?；締卧侵貜托纬苫娟嚵械木w管。這定義了設計人員互連的門陣列模式以完成 IC 設計。門陣列 IC 分為三種類型——通道門陣列、無通道門陣列和結構化門陣列。

可編程 ASIC

這些 ASIC 通常用于原型設計。設計人員可以以編程方式完全自定義設計。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。設計人員可以自定義模塊并定義互連。這允許產生特定于特定應用的設計。PLD 本身用作標準單元并有助于快速設計。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完成的令人難以置信的快速設計非常有用。

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. 結構化門陣列——在結構化門陣列中，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計時間，盡管它可能不會產生最佳優(yōu)化的設計。

結論

ASIC 通常涉及重用高級組件的芯片設計。這些組件具有寄存器、計數(shù)器、多路復用器、浮點運算單元和算術邏輯單元的門級復雜性。高級組件通?？捎米髦R產權 (IP) 內核。該設計公司擁有設計 ASIC 所涉及的 IP 核的版權。各個模塊根據(jù)客戶的設計相互連接，客戶必須為每一個出貨的芯片向設計公司支付專利費。

ASIC 在半導體行業(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 專為特定用例設計、定制和生產，并直接適用于特定最終產品。