电子工业一直专注于小型化。这种小型化是由在最小尺寸中集成最大逻辑的愿望所驱动的。不过,到2021年,尽管研发成本将逐渐上升,但该行业还没有为摩尔定律的终结做好准备。
晶体管逻辑在微尺度芯片上实现计算的能力最早导致了cpu的发展。cpu和其他外围设备捆绑在一起,成为mpu和微控制器,这并不晚。当mpu继续迎合通用计算,微控制器专注于特定的应用和面向行业的市场细分。这些细分市场迫使半导体制造商在数字集成电路中以专用集成电路(asic)和fpga的形式开发更具体和性能更好的设计。
据最新统计,通用计算只占半导体市场份额的21%。相比之下,无线通信、工业电子、消费电子、汽车电子等其他细分市场占据了其余部分。2018年,内存和逻辑芯片市场收入最高,分别约为17亿美元和10亿美元,应用专用逻辑排在第三位,收入约为9.5亿美元。微处理器的收入只有它的一半,微控制器的收入甚至不到asic的三分之一。
除了嵌入式控制,asic还在人工智能推理、高速搜索、视觉和图像处理等应用中得到了新应用。在嵌入式系统中,cpu和mcu在低成本、低功耗的移动应用中处于领先地位。asic在非消费者应用中仍然占据主导地位。asic尤其在大容量视觉和图像处理应用中占据了一席之地。
asic的市场份额超过了微处理器和微控制器,因此asic显得非常重要。让我们看看asic到底是什么!
ASIC是什么?
集成电路既可以设计成满足多种应用,也可以设计成满足单一应用。为满足特定应用而设计的数字集成电路称为专用集成电路(asic)。从根级别,这些ic被裁剪以实现特定的用例。这些芯片通常容纳许多功能单元,如处理器、通信外设、内存等,所有这些都紧密地封装在一个芯片上。这些类型的专用集成电路被称为片上系统(SoC)。asic成本高,最适合大规模应用。通常,asic是为适应特定产品而设计的。
不同类型的asic
在计算方面,asic实际上不是可编程芯片。但是,用户可以自定义它们以最适合各自的用例。定制是使用电子设计自动化(EDA)工具完成的,芯片设计由用户使用硬件描述语言(HDL)指定。定制的级别决定了专用集成电路的类型。asic可以是以下类型之一-
- 完全自定义
- Semi-custom
- 可编程的
全定制asic
所有的逻辑单元都是为特定的应用而设计的,在一个完全定制的专用集成电路(ASIC)中具有固定的电路布局。程序员不能改变芯片的内部连接。这种设计适用于存储芯片、传感器和传感器、电源管理集成电路、模拟处理器和微处理器等应用。使用全定制ASIC的优点是在最小的芯片尺寸中实现最高的性能。然而,它完全取代了复杂的设计、更长的上市时间和高成本。这就是为什么这些asic只设计用于高级和高容量应用程序的原因。
Semi-custom asic
在这些类型的asic中,逻辑单元不是完全定制的。它们取自标准库,它们之间的相互连接是定制的,也是标准的。与全定制专用集成电路(ASIC)相比,半定制专用集成电路中涉及的最低设计是一个逻辑或门。这种方法有助于减少设计全定制ASIC所需的时间和成本。根据设计方法的不同,半自定义asic可以分为两种类型:
- 基于标准单元的ASIC -这些ASIC是使用标准单元库设计的。逻辑单元,如逻辑门、多路复用器、解复用器、寄存器等,都是从单元库中预先设计的。逻辑单元甚至可以是微处理器或微控制器。这种大小的逻辑单元称为超级单元。所有的逻辑单元按行排列,程序员可以自定义块在自定义掩模层上的位置。
- 基于门阵列的ASIC -在这些ASIC中,逻辑单元在芯片上有一个固定的位置,设计师可以使用屏蔽层改变块之间的互连。基极单元是重复形成基极阵列的晶体管。这定义了一种由设计人员互连的门阵列模式,以完成集成电路的设计。门阵列集成电路有三种类型:沟道门阵列、无沟道门阵列和结构化门阵列。
可编程asic
这些asic通常用于原型设计。设计人员可以通过编程方式完全定制设计。可编程asic有两种类型:
- 可编程逻辑器件(PLD) -这些asic没有定制的逻辑单元或互连。有一个规则的逻辑单元矩阵,可以使用软件编程。设计师可以自定义模块以及定义互连。这允许生成特定于特定应用程序的设计。可编程逻辑器件本身作为标准单元,有助于快速设计。PLD的一些很好的例子是PROM和EPROM。
- 现场可编程门阵列(FPGA)——FPGA由可编程门阵列组成,周围环绕着可编程互连线。门阵列用作可编程逻辑单元,可定制为组合或顺序逻辑。周围的连接点也可以使用一些方法进行编程。fpga对于一个可能在几个小时内完成的令人难以置信的快速设计是有用的。
基于门阵列的asic类型
基于Gate array的asic有三种类型:
- 沟槽门阵列-在沟槽门阵列中,固定高度的逻辑块排列在阵列中,它们之间有空间用于互连。
- 无通道门阵列-在无通道门阵列中,逻辑块的行之间没有剩余空间。相反,布线是通过将晶体管放置在互连线未使用的路径上,在逻辑单元上完成的。
- 结构化门阵列-在结构化门阵列中,在模具上预留一些空间给固定的嵌入式块,其余的门阵列块可用于路由。嵌入式块的使用减少了设计时间,尽管它可能不会产生最佳优化的设计。
结论
asic通常涉及到复用高级组件的芯片设计。这些组件具有门级复杂度的寄存器、计数器、多路复用器、浮点运算单元和算术逻辑单元。高级组件通常作为知识产权(IP)核提供。设计公司拥有ASIC设计中涉及的IP核的版权。各个模块根据客户的设计相互连接,客户必须为每一个芯片交付给设计公司一笔使用费。
asic在半导体行业占有很大的市场份额。即使不是通用计算,asic也与嵌入式控制中的高级组件一起服务于其他各种细分市场。asic是为特定的用例设计、定制和生产的,并直接适合特定的最终产品。
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