Uygulamaya Özel Entegre Devre - Application-specific integrated circuit

"ASIC" Burada yönlendirir. Diğer kullanımlar için bkz. ASIC (anlam ayrım) .

Uygulamaya özel entegre devre (ASIC) yongaları tepsisi

Bir uygulamaya özgü entegre devre ( ASIC / eɪ s ɪ k / ) bir bir entegre devre (IC), özel bir kullanım için özel çip yerine genel amaçlı kullanım için tasarlanmıştır. Örneğin, bir dijital ses kayıt cihazında veya yüksek verimli bir bitcoin madencisinde çalışmak üzere tasarlanmış bir çip , bir ASIC'dir. Uygulamaya özel standart ürün (ASSP) yongaları, ASIC'ler ile 7400 serisi veya 4000 serisi gibi endüstri standardı entegre devreler arasında orta düzeydedir . ASIC yongaları edilir imal kullanılarak metal oksit yarıiletken olarak, (MOS) teknolojisi MOS entegre devresi, fiş.

Yıllar içinde özellik boyutları küçüldükçe ve tasarım araçları geliştikçe, bir ASIC'de mümkün olan maksimum karmaşıklık (ve dolayısıyla işlevsellik) 5.000 mantık kapısından 100 milyonun üzerine çıkmıştır . Modern ASIC genellikle tüm içerir mikro işlemciler , bellek dahil olmak üzere blok ROM , RAM , EEPROM , flaş bellek ve diğer büyük yapı bloklarının. Böyle bir ASIC genellikle bir SoC ( chip-on-chip ) olarak adlandırılır . Dijital ASIC tasarımcıları, ASIC'lerin işlevselliğini tanımlamak için genellikle Verilog veya VHDL gibi bir donanım tanımlama dili (HDL) kullanır .

Sahada programlanabilir kapı dizileri (FPGA), standart parçalardan bir devre tahtası veya prototip oluşturmak için günümüz teknolojisidir ; programlanabilir mantık blokları ve programlanabilir ara bağlantılar, aynı FPGA'nın birçok farklı uygulamada kullanılmasına izin verir. Daha küçük tasarımlar veya daha düşük üretim hacimleri için FPGA'lar, üretimde bile ASIC tasarımından daha uygun maliyetli olabilir. Bir ASIC'nin yinelenmeyen mühendislik (NRE) maliyeti milyonlarca dolara ulaşabilir. Bu nedenle, cihaz üreticileri tipik olarak prototipleme için FPGA'ları ve düşük üretim hacmine sahip cihazları ve NRE maliyetlerinin birçok cihazda amortismana tabi tutulabileceği çok büyük üretim hacimleri için ASIC'leri tercih eder .

Tarih

Erken ASIC'ler kapı dizisi teknolojisini kullandı. 1967'de Ferranti ve Interdesign, erken dönem bipolar kapı dizileri üretiyorlardı . 1967'de Fairchild Semiconductor , bipolar diyot-transistör mantığı (DTL) ve transistör-transistör mantığı (TTL) dizilerinin Micromatrix ailesini tanıttı .

Tamamlayıcı metal oksit-yarı iletken (CMOS) teknolojisi, kapı dizilerinin geniş çapta ticarileştirilmesine kapı açtı. İlk CMOS geçit dizileri Robert Lipp tarafından 1974'te International Microcircuits, Inc. (IMI) için geliştirildi.

Metal oksit yarı iletken (MOS) standart hücre teknolojisi, 1970'lerde Fairchild ve Motorola tarafından Micromosaic ve Polycell ticari adları altında tanıtıldı . Bu teknoloji daha sonra VLSI Technology (1979'da kuruldu) ve LSI Logic (1981) tarafından başarıyla ticarileştirildi .

Kapı dizisi devresinin başarılı bir ticari uygulaması, 1981 ve 1982'de tanıtılan düşük kaliteli 8-bit ZX81 ve ZX Spectrum kişisel bilgisayarlarında bulundu . Bunlar Sinclair Research (İngiltere) tarafından esasen düşük maliyetli bir I/O çözümü olarak kullanıldı. Bilgisayarın grafiklerini işlemeye yöneliktir .

Metal ara bağlantı maskesi değiştirilerek özelleştirme gerçekleşti. Kapı dizileri birkaç bin kapıya kadar karmaşıklığa sahipti; buna artık orta ölçekli entegrasyon deniyor . Daha sonraki versiyonlar, hem metal hem de polisilikon katmanlar tarafından özelleştirilmiş farklı taban kalıpları ile daha genel hale geldi . Bazı temel kalıplar ayrıca rasgele erişimli bellek (RAM) öğeleri içerir.

Standart hücre tasarımları

Ana madde: Standart hücre

1980'lerin ortalarında, bir tasarımcı bir ASIC üreticisi seçecek ve tasarımını üreticinin sunduğu tasarım araçlarını kullanarak uygulayacaktı. Üçüncü taraf tasarım araçları mevcut olsa da, üçüncü taraf tasarım araçlarından çeşitli ASIC üreticilerinin yerleşimine ve gerçek yarı iletken süreç performans özelliklerine etkili bir bağlantı yoktu . Çoğu tasarımcı, tasarımlarının uygulanmasını tamamlamak için fabrikaya özel araçlar kullandı. Aynı zamanda çok daha yüksek yoğunluklu bir cihaz sağlayan bu soruna bir çözüm, standart hücrelerin uygulanmasıydı . Her ASIC üreticisi, yayılma gecikmesi , kapasitans ve endüktans gibi bilinen elektriksel özelliklere sahip ve üçüncü taraf araçlarda da gösterilebilen fonksiyonel bloklar oluşturabilir . Standart hücre tasarımı, çok yüksek kapı yoğunluğu ve iyi elektrik performansı elde etmek için bu fonksiyonel blokların kullanılmasıdır. Standart hücre tasarımı, § Geçit dizisi ve yarı özel tasarım ile § Tam özel tasarım arasında, yinelenmeyen mühendislik ve yinelenen bileşen maliyetleri ile performans ve geliştirme hızı ( pazara sunma süresi dahil) açısından orta düzeydedir .

1990'ların sonunda, mantık sentez araçları kullanılabilir hale geldi. Bu tür araçlar, HDL açıklamalarını geçit düzeyinde bir ağ listesi halinde derleyebilir . Standart hücreli entegre devreler (IC'ler), elektronik tasarım akışı olarak adlandırılan aşağıdaki kavramsal aşamalarda tasarlanır , ancak bu aşamalar pratikte önemli ölçüde örtüşür:

  1. Gereksinim mühendisliği : Tasarım mühendislerinden oluşan bir ekip, genellikle gereksinim analizinden türetilen yeni bir ASIC için gerekli işlevlerin resmi olmayan bir şekilde anlaşılmasıyla başlar.
  2. Kayıt-aktarım düzeyi (RTL) tasarımı : Tasarım ekibi, bir donanım tanımlama dili kullanarak bu hedeflere ulaşmak için bir ASIC'nin tanımını oluşturur . Bu işlem, yüksek seviyeli bir dilde bir bilgisayar programı yazmaya benzer.
  3. İşlevsel doğrulama : Amaca uygunluk, işlevsel doğrulama ile doğrulanır. Bu, test tezgahları aracılığıyla mantık simülasyonu , resmi doğrulama , öykünme veya Simics'te olduğu gibieşdeğer bir saf yazılım modelioluşturma ve değerlendirmegibi teknikleri içerebilir. Her doğrulama tekniğinin avantajları ve dezavantajları vardır ve çoğu zaman ASIC doğrulaması için birkaç yöntem birlikte kullanılır. En aksine FPGA , ASIC edilemez yeniden programlanması kez fabrikasyon tamamen doğru değildir ve bu nedenle ASIC tasarımlar çok daha pahalıya mal olan tam ihtiyacını artırarak, test kapsamı .
  4. Mantık sentezi : Mantık sentezi , RTL tasarımını standart hücreler adı verilen alt düzey yapılar adı verilen geniş bir koleksiyona dönüştürür. Bu yapılar, belirli işlevleri gerçekleştiren önceden karakterize edilmiş mantık kapıları koleksiyonlarından oluşan bir standart hücre kitaplığından alınır . Standart hücreler tipik olarak ASIC'nin planlanan üreticisine özeldir. Ortaya çıkan standart hücreler ve bunlar arasındaki gerekli elektriksel bağlantıların toplanmasına geçit düzeyinde ağ listesi denir .
  5. Yerleştirme : Geçit seviyesi ağ listesi daha sonra standart hücreleri nihai ASIC'yi temsil eden bir entegre devre kalıbının bir bölgesine yerleştiren bir yerleştirme aracı tarafından işlenir . Yerleştirme aracı , çeşitli belirtilen kısıtlamalara tabi olarak standart hücrelerin optimize edilmiş bir yerleşimini bulmaya çalışır .
  6. Yönlendirme : Bir elektronik yönlendirme aracı, standart hücrelerin fiziksel yerleşimini alır ve aralarındaki elektrik bağlantılarını oluşturmak için ağ listesini kullanır . Yana arama alanı büyüktür, bu işlem bir "yeterli" yerine "üretecek genel optimal " bir çözüm. Çıktı, fiziksel entegre devreler üretmek için genellikle 'fab' veya 'dökümhane' olarak adlandırılan bir yarı iletken üretim tesisini mümkün kılan bir dizi fotoğraf maskesi oluşturmak için kullanılabilecek bir dosyadır . Yerleştirme ve yönlendirme birbiriyle yakından ilişkilidir ve elektronik tasarımında topluca yer ve rota olarak adlandırılır .
  7. Sign-off : Son düzen verildiğinde, devre ekstraksiyonu parazitik dirençleri ve kapasitansları hesaplar . Bir dijital devre durumunda , bu daha sonra , genellikle statik zamanlama analizi ile devre performansının tahmin edilebileceği gecikme bilgisine eşlenecektir . Bu ve toplu olarak imza adı verilen tasarım kuralı kontrolü ve güç analizi gibi diğer son testler , cihazın prosesin, voltajın ve sıcaklığın tüm uç noktalarında doğru şekilde çalışmasını sağlamayı amaçlar. Bu test tamamlandığında, çip üretimi için fotomaske bilgileri yayınlanır .

Endüstride yaygın olan bir beceri düzeyi ile uygulanan bu adımlar, kusurlar daha sonra fiziksel üretim süreci tarafından ortaya çıkmadıkça, neredeyse her zaman orijinal tasarımı doğru şekilde uygulayan bir nihai cihaz üretir.

Tasarım akışı olarak da adlandırılan tasarım adımları , standart ürün tasarımında da ortaktır. Önemli fark, standart hücre tasarımının, potansiyel olarak yüzlerce başka tasarım uygulamasında kullanılmış olan ve bu nedenle tam bir özel tasarımdan çok daha düşük risk taşıyan üreticinin hücre kitaplıklarını kullanmasıdır. Standart hücreler , uygun maliyetli bir tasarım yoğunluğu üretir ve ayrıca , kapı dizilerinin aksine IP çekirdeklerini ve statik rastgele erişimli belleği (SRAM) etkin bir şekilde entegre edebilirler .

Kapı dizisi ve yarı özel tasarım

Önceden tanımlanmış mantık hücrelerini ve özel ara bağlantıları gösteren bir ASIC kapı dizisinin mikroskop fotoğrafı. Bu özel tasarım, mevcut mantık kapılarının %20'sinden daha azını kullanır.

Kapı dizisi tasarımı, her biri transistörlerden ve diğer aktif cihazlardan oluşan dağınık katmanların önceden tanımlandığı ve bu tür cihazları içeren elektronik levhaların fabrikasyon sürecinin metalizasyon aşamasından önce "stokta tutulduğu" veya bağlanmadığı bir üretim yöntemidir . Fiziksel tasarım işlem nihai cihaz için bu katmanların bağlantıları tanımlamaktadır. Çoğu ASIC üreticisi için bu, her bir katmanın altındaki katmana dik uzanan iki ila dokuz metal katmandan oluşur. Fotolitografik maskeler yalnızca metal katmanlar için gerekli olduğundan, yinelenmeyen mühendislik maliyetleri, tam özel tasarımlardan çok daha düşüktür . Metalleştirme nispeten hızlı bir süreç olduğundan üretim döngüleri çok daha kısadır; böylece pazara çıkış süresini hızlandırır .

Kapı dizili ASIC'ler, belirli bir tasarımı bir üreticinin stok gofreti olarak tuttuğu şeyle eşleştirmek için hiçbir zaman %100 devre kullanımı sağlamadığından hızlı tasarım ve performans arasında bir uzlaşmadır . Çoğu zaman , ara bağlantının yönlendirilmesindeki zorluklar , parça parça fiyatında bir artışla sonuçlanan daha büyük bir dizi cihazına geçişi gerektirir. Bu zorluklar genellikle ara bağlantıyı geliştirmek için kullanılan yerleşim EDA yazılımının bir sonucudur .

Saf, yalnızca mantıksal kapı dizisi tasarımı, günümüzde devre tasarımcıları tarafından nadiren uygulanmaktadır ve neredeyse tamamen sahada programlanabilir cihazlarla değiştirilmiştir. Bu tür cihazların en önde gelenleri, kullanıcı tarafından programlanabilen ve böylece tekrarlanmayan mühendislik, yalnızca marjinal olarak artan parça maliyeti ve karşılaştırılabilir performans sunan minimum takım ücretleri sunan sahada programlanabilir kapı dizileridir (FPGA'lar).

Günümüzde kapı dizileri, CPU gibi büyük bir IP çekirdeği , dijital sinyal işlemci birimleri, çevre birimleri , standart arayüzler , entegre bellekler , SRAM ve yeniden yapılandırılabilir , taahhüt edilmemiş bir mantık bloğundan oluşan yapılandırılmış ASIC'lere dönüşmektedir . Bu kayma, büyük ölçüde, ASIC cihazlarının büyük sistem işlevselliği bloklarını entegre edebilme yeteneğine sahip olması ve bir çipteki (SoC'ler) sistemlerin, yalnızca işlevsel birimler yerine tutkal mantığı , iletişim alt sistemleri ( çip üzerindeki ağlar gibi ), çevre birimleri ve diğer bileşenleri gerektirmesi ve temel ara bağlantı.

Sahadaki sık kullanımlarında, "kapı dizisi" ve "yarı özel" terimleri, ASIC'lere atıfta bulunurken eşanlamlıdır. Süreç mühendisleri daha yaygın olarak "yarı özel" terimini kullanırken, "kapı dizisi" mantık (veya kapı düzeyi) tasarımcıları tarafından daha yaygın olarak kullanılır.

Tamamen özel tasarım

Ana madde: Tam özel
Üstte geçit tabanlı tasarımı ve altta özel devreleri gösteren özel ASIC'in (486 yonga seti) mikroskop fotoğrafı

Buna karşılık, tamamen özel ASIC tasarımı, cihazın tüm fotolitografik katmanlarını tanımlar. Hem ASIC tasarımı hem de standart ürün tasarımı için tam özel tasarım kullanılır.

Tam özel tasarımın faydaları arasında, azaltılmış alan (ve dolayısıyla yinelenen bileşen maliyeti), performans iyileştirmeleri ve ayrıca analog bileşenleri ve mikroişlemci çekirdekleri gibi önceden tasarlanmış ve dolayısıyla tam olarak doğrulanmış bileşenleri entegre etme yeteneği yer alır. bir çip üzerinde sistem .

Tam özel tasarımın dezavantajları arasında artan üretim ve tasarım süresi, artan yinelenmeyen mühendislik maliyetleri, bilgisayar destekli tasarım (CAD) ve elektronik tasarım otomasyon sistemlerinde daha fazla karmaşıklık ve çok daha yüksek beceri gereksinimi sayılabilir . Tasarım takımı.

Ancak yalnızca dijital tasarımlar için "standart hücreli" hücre kitaplıkları, modern CAD sistemleriyle birlikte düşük riskle önemli performans/maliyet avantajları sunabilir. Otomatik yerleşim araçlarının kullanımı hızlı ve kolaydır ve ayrıca tasarımın herhangi bir performans sınırlayıcı yönünü "elle ayarlama" veya manuel olarak optimize etme imkanı sunar.

Bu, bir tasarım için özel olarak temel mantık kapıları, devreler veya düzen kullanılarak tasarlanmıştır.

Yapılandırılmış tasarım

Ana maddeler: Yapılandırılmış ASIC platformu ve Platform tabanlı tasarım

Yapılandırılmış ASIC tasarımı (" platform ASIC tasarımı " olarak da anılır ), yarı iletken endüstrisinde nispeten yeni bir trend olup, tanımında bazı değişikliklere neden olur. Bununla birlikte, yapılandırılmış bir ASIC'nin temel önermesi, hücre tabanlı ASIC'e kıyasla, önceden tanımlanmış metal katmanlar (böylece üretim süresini azaltan) ve neyin önceden karakterize edilmesi sayesinde, hem üretim döngü süresinin hem de tasarım döngü süresinin azaltılmış olmasıdır. silikon üzerindedir (böylece tasarım döngü süresini azaltır).

Temelleri Gömülü Sistemlerin Tanımı şunları belirtir:

"Yapılandırılmış ASIC" tasarımında, bir cihazın mantık maskesi katmanları, ASIC satıcısı (veya bazı durumlarda bir üçüncü taraf) tarafından önceden tanımlanır. Tasarım farklılaştırması ve özelleştirme, önceden tanımlanmış alt katman mantık öğeleri arasında özel bağlantılar oluşturan özel metal katmanlar oluşturularak elde edilir. "Yapılandırılmış ASIC" teknolojisi, sahada programlanabilir kapı dizileri ile "standart hücreli" ASIC tasarımları arasındaki boşluğu kapatıyor olarak görülüyor. Yalnızca az sayıda yonga katmanının özel olarak üretilmesi gerektiğinden, "yapılandırılmış ASIC" tasarımları, tam bir maske seti gerektiren "standart hücre" veya "tam özel" yongalardan çok daha küçük yinelenmeyen harcamalara (NRE) sahiptir. her tasarım için üretilebilir.

—  Gömülü Sistemlerin Temelleri

Bu, bir geçit dizisiyle aynı tanımdır. Yapılandırılmış bir ASIC'yi bir geçit dizisinden ayıran şey, bir geçit dizisinde, önceden tanımlanmış metal katmanların üretimin daha hızlı tamamlanmasına hizmet etmesidir. Yapılandırılmış bir ASIC'de, önceden tanımlanmış metalizasyonun kullanılması, öncelikle maske setlerinin maliyetini azaltmak ve aynı zamanda tasarım döngü süresini önemli ölçüde kısaltmak içindir.

Örneğin, hücre tabanlı veya geçit dizisi tasarımında, kullanıcı genellikle güç, saat ve test yapılarını kendileri tasarlamalıdır. Buna karşılık, bunlar çoğu yapılandırılmış ASIC'de önceden tanımlanmıştır ve bu nedenle kapı dizisi tabanlı tasarımlara kıyasla tasarımcı için zaman ve masraf tasarrufu sağlayabilir. Benzer şekilde, yapılandırılmış ASIC için kullanılan tasarım araçları, hücre tabanlı araçların yaptığı tüm işlevleri yerine getirmeleri gerekmediğinden, hücre tabanlı araçlardan önemli ölçüde daha düşük maliyetli ve kullanımı daha kolay (daha hızlı) olabilir. Bazı durumlarda, yapılandırılmış ASIC satıcısı, cihazları için özelleştirilmiş araçların (örneğin, özel fiziksel sentez) kullanılmasını gerektirir ve ayrıca tasarımın üretime daha hızlı getirilmesine olanak tanır.

Hücre kitaplıkları, IP tabanlı tasarım, sert ve yumuşak makrolar

Mantıksal temel öğelerin hücre kitaplıkları genellikle hizmetin bir parçası olarak aygıt üreticisi tarafından sağlanır. Ek bir maliyete tabi olmayacak olmalarına rağmen, serbest bırakılmaları bir ifşa etmeme sözleşmesi (NDA) koşulları kapsamında olacak ve üretici tarafından fikri mülkiyet olarak kabul edilecektir. Genellikle, fiziksel tasarımları önceden tanımlanacaktır, böylece "zor makrolar" olarak adlandırılabilirler.

Çoğu mühendisin " fikri mülkiyet " olarak anladığı şey, daha büyük bir ASIC'nin alt bileşenleri olarak üçüncü bir taraftan satın alınan tasarımlar olan IP çekirdekleridir . Bunlar bir donanım tanımlama dili (genellikle "yumuşak makro" olarak adlandırılır) biçiminde veya doğrudan bir ASIC'nin maskesine (genellikle "sabit makro" olarak adlandırılır) yazdırılabilen tam yönlendirilmiş bir tasarım olarak sağlanabilir. Birçok kuruluş artık bu tür önceden tasarlanmış çekirdekleri (CPU'lar, Ethernet, USB veya telefon arabirimleri) satmaktadır ve daha büyük kuruluşlar, kuruluşun geri kalanı için çekirdek üretmek üzere tüm bir departmana veya bölüme sahip olabilir. ARM (Advanced RISC Machines) şirketi yalnızca IP çekirdekleri satar ve bu da onu masalsız bir üretici yapar .

Aslında, yapılandırılmış ASIC tasarımında artık mevcut olan geniş işlev yelpazesi, 1990'ların sonunda ve 2000'lerin başında elektronikteki olağanüstü gelişmenin bir sonucudur; Bir çekirdeğin yaratılması çok zaman ve yatırım gerektirdiğinden, yeniden kullanımı ve daha fazla geliştirilmesi, ürün döngü sürelerini önemli ölçüde kısaltır ve daha iyi ürünler yaratır. Ek olarak, OpenCores gibi açık kaynaklı donanım kuruluşları , donanım tasarımındaki açık kaynaklı yazılım hareketine paralel olarak ücretsiz IP çekirdekleri toplamaktadır .

Yumuşak makrolar genellikle süreçten bağımsızdır (yani, çok çeşitli üretim süreçlerinde ve farklı üreticilerde üretilebilirler). Sert makrolar süreçle sınırlıdır ve genellikle farklı bir sürece veya üreticiye geçiş (port) için daha fazla tasarım çabası harcanmalıdır.

Çok projeli gofretler

Bazı üreticiler ve IC tasarım evleri , düşük maliyetli prototipler elde etme yöntemi olarak çok projeli gofret hizmeti (MPW) sunar. Genellikle servisler olarak adlandırılan, birkaç tasarım içeren bu MPW'ler, "kes ve git" esasına göre düzenli, planlanmış aralıklarla çalışır ve genellikle üreticinin sınırlı sorumluluğu vardır. Sözleşme, çıplak kalıpların teslimini veya bir avuç cihazın montajını ve paketlenmesini içerir. Hizmet genellikle bir fiziksel tasarım veritabanının (yani maskeleme bilgisi veya model oluşturma (PG) bandı) tedarikini içerir. Üretici, sürece düşük katılımı nedeniyle genellikle "silikon dökümhanesi" olarak anılır.

Uygulamaya özel standart ürün

Renesas M66591GP: USB2.0 Çevre Birimi Denetleyicisi

Bir uygulamaya özgü standart ürün veya ASSP bir bir entegre devre bu uygulayan belirli bir fonksiyonu olduğu geniş bir pazara hitap etmektedir. Bir işlevler koleksiyonunu birleştiren ve bir müşteri tarafından veya bir müşteri için tasarlanan ASIC'lerin aksine , ASSP'ler kullanıma hazır bileşenler olarak mevcuttur. ASSP'ler otomotivden haberleşmeye kadar tüm sektörlerde kullanılmaktadır. Genel bir kural olarak, bir veri kitabında bir tasarım bulabilirseniz , bu muhtemelen bir ASIC değildir, ancak bazı istisnalar vardır.

Örneğin, ASIC olarak kabul edilebilecek veya edilmeyebilecek iki IC, bir PC için bir denetleyici yongası ve bir modem için bir yongadır . Bu örneklerin her ikisi de bir uygulamaya özeldir (tipik bir ASIC'dir) ancak birçok farklı sistem satıcısına satılır (tipik olarak standart parçalardır). Bunlar gibi ASIC'lere bazen uygulamaya özel standart ürünler (ASSP'ler) denir.

ASSP'lere örnek olarak kodlama/kod çözme çipi, bağımsız USB arabirim çipi vb. verilebilir.

IEEE , 1990 yılında IEEE Signal Processing Magazine olarak yeniden adlandırılan bir ASSP dergisi yayınlıyordu.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Kaynaklar

Dış bağlantılar