Uygulamaya Özel Entegre Devreye (ASIC) Giriş

Günlük yaşamımızda, çeşitli elektronik cihaz türlerine rastlıyoruz. Elektronik üretiminde devrim yaratan teknolojilerden biri ' Entegre devre '. Bu teknoloji, yoğunluğunu artırarak elektronik ürünlerin boyutunu küçültür. mantık kapıları çip başına. Bugün, IC’lerin farklı türleri ve konfigürasyonları var. Etrafımızda gözlemlediğimiz gibi, bazı IC'lerin yalnızca belirli bir uygulama için kullanılabileceğini, bazı IC'lerin yeniden programlanıp çeşitli uygulamalar için kullanılabileceğini gördük. Bu tür IC'ler ASIC olarak adlandırılır. Ama nasıl farklılar? Onları yeniden programlamak nasıl mümkün olabilir? Neden bazı IC'ler yeniden programlanamıyor? Bu soruların yanıtlarını bulmak için atlayın.

ASIC (Uygulamaya Özgü Entegre Devre) nedir?

ASIC tam formu Uygulamaya Özel Entegre Devre. Bu devreler uygulamaya özeldir. Yani. belirli bir uygulama için özel yapılmış IC'ler. Bunlar genellikle belirli bir uygulamanın gereksinimlerine göre kök düzeyinden tasarlanır. Bazı temel uygulamaya özel entegre devre örnekleri oyuncaklarda kullanılan çipler, hafıza ve mikroişlemci vb. arayüzleri için kullanılan çiplerdir. Bu çipler sadece tasarlandıkları bir uygulama için kullanılabilir. Muhtemelen bunlar IC türleri sadece üretim sayısı fazla olan ürünler için tercih edilmektedir. ASIC'ler kök seviyesinden tasarlandıklarından yüksek maliyetlidirler ve sadece yüksek hacimli üretimler için tavsiye edilirler.

ASIC'in temel avantajı, bir devrenin çok sayıda işlevsel birimi tek bir yonga üzerine inşa edildiğinden, azaltılmış yonga boyutudur. Modern ASIC genellikle 32 bit içerir mikroişlemci , bellek blokları, ağ devreleri vb… Bu tür ASIC'ler, Çip Üzerinde Sistem . Üretim teknolojisindeki gelişmeler ve tasarım yöntemlerinde artan araştırmalarla, farklı özelleştirme seviyelerine sahip ASIC'ler geliştirildi.

ASIC türleri

ASIC'ler, bir programcının bir çip üzerinde yapmasına izin verilen özelleştirme miktarına göre kategorize edilir.

ASIC türleri

Tam Özel

Bu tip tasarımda, tüm mantık hücreleri özel uygulama için özel olarak tasarlanmıştır. Yani. tasarımcı, devreler için özel olarak mantık hücreleri yapmak zorundadır. Ara bağlantı için tüm maske katmanları özelleştirilmiştir. Bu yüzden programcı çipin ara bağlantılarını değiştiremez ve programlama sırasında devre düzeninin farkında olmalıdır.

Tam özel ASIC'in en iyi örneklerinden biri bir mikroişlemcidir. Bu tür bir özelleştirme, tasarımcıların tek bir IC üzerinde çeşitli analog devreler, optimize edilmiş bellek hücreleri veya mekanik yapılar oluşturmasına olanak tanır. Bu ASIC maliyetlidir ve üretimi ve tasarımı çok zaman alır. Bu IC'leri tasarlamak için gereken süre yaklaşık sekiz haftadır.

Bunlar genellikle üst düzey uygulamalar için tasarlanmıştır. Maksimum performans, küçültülmüş alan ve en yüksek derecede esneklik, Tam özel tasarımın başlıca özellikleridir. Sonuç olarak, kullanılan mantık hücreleri, direnç vb. Devre elemanları önceden test edilmediğinden tasarımda risk yüksektir.

Yarı Özel

Bu tip tasarımda mantık hücreleri standart kitaplıklardan alınır. Yani. Tam özel tasarımdaki gibi el yapımı değildirler. Bazı maskeler özelleştirilirken bazıları önceden tasarlanmış kitaplıktan alınır. Kitaplıktan alınan mantık hücrelerinin türüne ve ara bağlantılar için izin verilen özelleştirme miktarına bağlı olarak, bu ASIC'ler iki türe ayrılır: Standart hücre tabanlı ASIC ve Kapı Dizisi tabanlı ASIC.

1). Standart hücre tabanlı ASIC

Bu IC'yi bilmek için önce standart bir hücre kütüphanesinin ne anlama geldiğini anlamamıza izin verin. Mantık hücrelerinin bazıları, örneğin AND kapıları, OR kapıları çoklayıcılar parmak arası terlik tasarımcılar tarafından farklı konfigürasyonlar kullanılarak önceden tasarlanmış, standartlaştırılmış ve bir kitaplık biçiminde depolanmıştır. Bu koleksiyon, standart hücre kitaplığı olarak bilinir.

Standart Hücre tabanlı ASIC

Standart hücre tabanlı, bu standart kitaplıklardan ASIC mantık hücreleri kullanılır. ASIC çip üzerinde standart hücre alanı veya esnek blok, sıralar şeklinde düzenlenmiş standart hücrelerden oluşur. Bu esnek blokların yanı sıra, mikro denetleyiciler gibi mega hücreler ve hatta mikroişlemciler çip üzerinde kullanılır. Bu mega hücreler aynı zamanda Mega fonksiyonlar, sistem seviyesi makroları, sabit bloklar, Fonksiyonel standart bloklar olarak da bilinir.

Yukarıdaki şekil, tek bir standart hücre alanına ve dört sabit bloğa sahip standart bir ASIC hücreyi temsil etmektedir. Maske katmanları özelleştirilmiştir. Burada tasarımcı, standart hücreleri kalıbın herhangi bir yerine yerleştirebilir. Bunlar aynı zamanda C-BIC olarak da bilinir.

2). Kapı Dizisi Tabanlı ASIC

Bu tür yarı özel ASIC önceden tanımlanmıştır transistörler silikon gofret üzerinde. yani. tasarımcı, kalıpta bulunan transistörlerin yerleşimini değiştiremez. Temel dizi, geçit dizisinin önceden tanımlanmış modelidir ve temel hücre, temel dizinin en küçük tekrarlayan hücresidir.

Tasarımcının yalnızca kalıbın ilk birkaç metal katmanını kullanarak transistörler arasındaki ara bağlantıyı değiştirme yükümlülüğü vardır. Tasarımcı, kapı dizisi kitaplığından seçim yapar. Bunlar genellikle Maskeli Kapı Dizisi olarak adlandırılır. Kapı Dizisi Tabanlı ASIC üç tiptedir. Kanallı Kapı Dizisi, Kanalsız kapı dizisi ve yapılandırılmış bir kapı dizisidir.

a) .Channeled Gate Array

Bu tip kapı dizisinde, transistör sıraları arasında kablolama alanı bırakılır. Bunlar, bloklar arasındaki ara bağlantı için boşluk bırakıldığı için CBIC'e benzer, ancak kanallı geçit dizisinde hücre sıralarının yüksekliği sabitken CBIC'de bu alan ayarlanabilir.

Kanallı Kapı Dizisi

Bu geçit dizisinin temel özelliklerinden bazıları şunlardır - bu kapı dizisi, ara bağlantı için sıralar arasında önceden tanımlanmış boşluklar kullanır. İmalat süresi iki günden iki haftaya kadardır.

b). Kanal Az Geçit Dizisi

Kanallı geçit dizisinde görüldüğü gibi hücre satırları arasında yönlendirme için boş alan kalmadı. Burada yönlendirme, metal 1 ve transistörler arasındaki bağlantıyı özelleştirebildiğimiz için kapı dizisi hücrelerinin üstünden yapılır. Yönlendirme için, kullanılmadan yönlendirme yolunda duran transistörleri bırakıyoruz. Üretim sağlama süresi yaklaşık iki haftadır.

Kanal Az Geçit Dizisi

c). Yapılandırılmış Kapı Dizisi

Bu tip kapı dizisi, yukarıda görüldüğü gibi kapı dizisi sıraları ile birlikte gömülü bir bloğa sahiptir. Yapılandırılmış kapı dizisi, CBIC'nin daha yüksek alan verimliliğine sahiptir. Maskeli geçit dizisi gibi, bunlar daha düşük maliyete ve daha hızlı geri dönüşe sahiptir. Burada gömülü fonksiyonun sabit boyutu, yapılandırılmış geçit dizisi üzerinde bir sınırlama oluşturmaktadır. Örneğin, bu geçit dizisi 32k bit denetleyici için ayrılmış bir alan içeriyor mu, ancak bir uygulamada yalnızca 16k bit denetleyici için bir alana ihtiyaç duyarsak kalan alan boşa gider. tümü özelleştirilmiş ara bağlantıya sahiptir.

Yapılandırılmış Kapı Dizisi

Programlanabilir ASIC

İki tür programlanabilir ASIC vardır. Bunlar PLD ve FPGA'dır

PLD'ler (Programlanabilir Mantık Aygıtları)

Bunlar, kolaylıkla temin edilebilen standart hücrelerdir. Uygulamanın bir bölümünü özelleştirmek için bir PLD programlayabiliriz, böylece ASIC olarak kabul edilirler. Bir PLD'yi programlamak için farklı yöntemler ve yazılımlar kullanabiliriz. Bunlar, normalde programlanabilir dizi mantığının yanı sıra flip-floplar veya mandallarla birlikte normal bir mantık hücreleri matrisi içerir. Burada ara bağlantılar tek bir büyük blok olarak mevcuttur.
PROM, bu IC'nin yaygın bir örneğidir. EPROM ara bağlantı olarak MOS transistörlerini kullanır, bu nedenle yüksek voltaj uygulayarak onu programlayabiliriz. PLD'lerin özelleştirilmiş mantık hücreleri veya ara bağlantıları yoktur. Bunlar hızlı bir tasarım dönüşüne sahiptir.

Programlanabilir Mantık Aygıtları

FPGA'lar (Alan Programlanabilir Kapı Dizisi)

PLD'lerin mantık hücreleri olarak programlanabilir dizi mantığına sahip olduğu durumlarda FPGA kapı dizisi benzeri düzenlemeye sahiptir. PLD'ler, FPGA'lardan daha küçük ve daha az karmaşıktır. Esnekliği ve özellikleri nedeniyle FPGA yerini alıyor TTL mikroelektronik sistemlerde. Tasarımın geri dönüşü yalnızca birkaç saattir.

Alan Programlanabilir Kapı Dizisi

Çekirdek, her ikisini de gerçekleştirebilen programlanabilir temel mantık hücrelerinden oluşur. kombinasyonel ve sıralı mantık . Mantık hücrelerini programlayabilir ve bazı yöntemler kullanarak ara bağlantı kurabiliriz. Temel mantık hücreleri, programlanabilir ara bağlantıların matrisi ile çevrilidir ve çekirdek, programlanabilir I / O hücreleri ile çevrilidir.

FPGA genellikle yapılandırılabilir mantık blokları, yapılandırılabilir G / Ç blokları, programlanabilir ara bağlantılar, saat devresi, ALU, bellek, kod çözücülerden oluşur.

Mevcut farklı ASIC türlerini gördük. Şimdi tüm bu özelleştirmelerin ve ara bağlantıların üretim sırasında ne zaman yapıldığını anlayalım.

Uygulamaya Özel Entegre Devre (ASIC) Tasarım Akışı

Bir ASIC tasarımı adım adım gerçekleştirilir. Bu adım sırası olarak bilinir ASIC Tasarımı Akış. Tasarım akışının adımları aşağıdaki akış şemasında verilmiştir.

ASIC Tasarım Akışı

Tasarım Girişi: Bu adımda, tasarımın mikro mimarisi, VHDL, Verilog ve System Verilog gibi donanım tanımlama dilleri kullanılarak gerçekleştirilir.
Mantık Sentezi: Bu adımda, kullanılacak mantık hücreleri, ara bağlantı türleri ve uygulama için gerekli diğer tüm parçaların bir net listesi HDL kullanılarak hazırlanır.
Sistem Bölümleme: Bu adımda, büyük boyutlu kalıbı ASIC boyutlu parçalara ayırıyoruz.
Ön Düzen Simülasyonu: Bu adımda, tasarımın herhangi bir hata içerip içermediğini kontrol etmek için bir simülasyon testi yapılır.
Kat Planlama: Bu adımda netlist blokları çip üzerinde düzenlenir.
Yerleştirme: Bu adımda blok içindeki hücrelerin konumuna karar verilir.
Yönlendirme: Bu adımda, bloklar ve hücreler arasında bağlantılar çizilir. Ekstraksiyon: Bu adımda direnç değeri ve ara bağlantının kapasitans değeri gibi elektriksel özellikleri belirleriz.
Post-Layout Simülasyonu: Modelin üretime sunulmasından önce bu simülasyon, sistemin bir ara bağlantı yükü ile birlikte düzgün çalışıp çalışmadığını kontrol etmek için yapılır.

ASIC örnekleri

ASIC'in farklı özelliklerini bildikten sonra, şimdi bazı ASIC örneklerini görelim.
Standart hücre tabanlı ASIC: LCB 300k, LSI Logic Company'den 500k, ABB Hafo Inc.'den SIG1, 2, 3 aile, GCS90K GCS Plessey.
Gate Array Ürünleri: Harris Semiconductor'dan AUA20K, National Semiconductors'dan SCX6Bxx, Texas Instruments'tan TGC / TEC aileleri.
PLD Ürünleri: Gelişmiş Mikro Cihazların PAL ailesi, Philips Semiconductors'dan GAL ailesi, XC7300 ve XILINX'ten EPLD.
FPGA Ürünleri: XILINX'ten XC2000, XC3000, XC4000, XC5000 serisi, QuickLogic'ten pASIC1, Altera'dan MAX5000.

ASIC uygulamaları

ASIC'in benzersizliği, elektroniklerin üretilme biçiminde devrim yarattı. Bunlar, yoğunluğunu artırırken kalıp boyutlarını azalttı mantık kapıları çip başına. ASIC'ler genellikle üst düzey uygulamalar için tercih edilir. ASIC yongası, uydular için IP çekirdeği olarak, ROM üretimi, Mikrodenetleyici ve tıp ve araştırma sektörlerindeki çeşitli uygulama türleri. ASIC'in trend uygulamalarından biri BITCOIN MINER.

Bitcoin Madenci

Kripto para madenciliği, daha büyük güç ve yüksek hızlı donanım gerektirir. Genel amaçlı bir CPU, yüksek hızda bu kadar yüksek bir hesaplama kapasitesi sağlayamaz. ASIC bitcoin madencileri, özel olarak tasarlanmış anakartlara yerleştirilmiş çiplerdir ve güç kaynakları , tek bir ünite halinde inşa edilmiştir. Bitcoin madenciliği için kasıtlı olarak tasarlanmış bir donanımdır. Bu birimler, yalnızca tek bir kripto para biriminin algoritmasını çalıştırabilir. Muhtemelen farklı bir kripto para birimi türü için başka bir madenciye ihtiyacımız var.

ASIC'in Avantajları ve Dezavantajları

ASIC'in avantajları aşağıdakileri dahil edin.

• • ASIC'in küçük boyutu, onu karmaşık daha büyük sistemler için yüksek bir seçim haline getirir.

• • Tek bir çip üzerine inşa edilmiş çok sayıda devre olduğu için bu, yüksek hızlı uygulamalara neden olur.

• • ASIC düşük güç tüketimine sahiptir.

• • Çip üzerindeki sistem oldukları için devreler yan yana bulunur. Bu nedenle, çeşitli devreleri bağlamak için çok minimum yönlendirme gerekir.
  • ASIC'in zamanlama sorunları ve üretim sonrası yapılandırması yoktur.

ASIC'in dezavantajları aşağıdakileri dahil edin.

• • Bunlar özelleştirilmiş çipler olduğundan, programlama için düşük esneklik sağlarlar.

• • Bu yongaların kök seviyesinden tasarlanması gerektiğinden, birim başına maliyeti yüksektir.
  • ASIC'in pazar marjı için daha fazla zamanı vardır.

ASIC ve FPGA

ASIC ve FPGA arasındaki fark aşağıdakileri içerir.

Bu nedenle, bu tamamen Uygulamaya Özel Entegre Devre . ASIC'in icadı, elektroniklerin kullanım biçiminde muazzam bir değişikliğe neden oldu. ASIC'i günlük hayatımızda çeşitli uygulamalar şeklinde kullanıyoruz. ASIC'in hangi uygulamalarıyla karşılaştınız? Ne tür ASIC ile çalıştınız?