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ASIC芯片的工作原理及优缺点

2023-06-07 23:16:00

集成电路(integratedcircuit)它是一种微型电子设备或组件。采用一定工艺，将BQ24901PW晶体管、电阻、电容、电感等部件连接到一个或多个半导体晶片或介质基板上，然后封装在管壳内，成为具有所需电路功能的微结构；所有部件在结构上形成一个整体，使电子部件向小型化、低功耗、智能化、高可靠性迈出了一大步。集成电路发明于20世纪70年代，发明者为杰克·基尔比[基于锗(Ge)的集成电路]和罗伯特·诺伊思[基于硅(Si)的集成电路]。

一、工作原理

在集成电路领域，ASIC被认为是为特殊目的而设计的集成电路，是指根据特定用户和特定电子系统的需要而设计和制造的集成电路。ASIC的特点是满足特定用户的需求。与通用集成电路相比，ASIC具有体积小、功耗低、可靠性提高、性能提高、保密性提高、成本降低等优点。

集成电路越大，根据特殊要求更改系统就越难解决这些问题。因此，以用户参与设计为特征的专用集成电路出现了(ASIC)，它可以实现整机系统的优化设计，性能优越，保密性强。特殊的集成电路可以将几个、几十个甚至几百个功能集成到一个芯片上，然后将整个系统集成到一个芯片上，以满足系统的需要。优化整机电路，减少部件数量，缩短接线，减少体积和重量，提高系统可靠性。

二、芯片特点

CPU等传统芯片通过读取和执行外部程序代码指令生成结果。相对而言，ASIC芯片读取原始输入数据信号，并通过内部逻辑电路直接生成输出信号。

(1)优点：

相对CPU、GPU、对于FPGA等类型的芯片，ASIC芯片在特殊系统的应用上具有多种优势，具体表现在以下几个方面。

①面积优势：ASIC芯片避免冗余逻辑单元、处理单元、寄存器、存储单元等架构，以纯数字逻辑电路的形式构建，有利于缩小芯片面积。对于小面积芯片，相同规格的晶片可以切割更多的芯片，帮助企业降低晶片成本。

②能耗优势：与CPUU相比，ASIC芯片单位计算能耗。GPU、FPGA较低，如GPU平均每计算能力消耗约0.4瓦，ASIC单位平均计算能力消耗约0.2瓦，更能满足新型智能家电的能耗限制。

③集成优势：由于定制设计，ASIC芯片系统、电路、工艺高度集成，帮助客户获得高性能集成电路。

④价格优势：受体积小、运行速度高、功耗低等特点影响，ASIC芯片价格远低于CPU、GPU、FPGA芯片。目前，ASIC芯片在全球市场的平均价格约为3美元，如果长期达到量产规模，ASIC芯片的价格有望继续下降。

(2)缺点：

①ASIC芯片定制化程度高，设计开发周期长，成品需要物理设计和可靠性验证，上市时间慢。

②ASIC芯片高度依赖算法，人工智能算法高速更新迭代，导致ASIC芯片更新频率高。

③由于ASIC芯片定制化程度高，研发周期相对较长，扩大了ASIC成品被市场淘汰的风险。

三、ASIC定制

ASIC分为全定制和半定制。全定制设计要求设计师完成所有电路的设计，因此需要大量的人力物力，灵活性好，但开发效率低。如果设计理想，全定制可以比半定制的ASIC芯片运行得更快。半定制使用数据库中的标准逻辑单元(StandardCell)，SSI(门电路)可从标准逻辑单元库中选择，MSI(如加法器、比较器等))))、数据通路(如ALU)、))存储器、总线等)、存储器甚至系统级模块（如乘法器、微控制器等）和IP核，这些逻辑单元已经布局，设计更可靠，设计师可以更方便地完成系统设计。现代ASIC通常包含整个32-bit处理器，类似于ROM、RAM、EEPROM、Flash的存储单元和其他模块。这种ASIC常被称为SoC（片上系统）。

FPGA是ASIC的近亲。一般通过原理图和VHDL对数字系统进行建模，利用EDA软件进行仿真和综合，生成基于一些标准数据库的网络表，并配置到芯片中。它与ASIC的区别在于，用户可以随时改变逻辑功能，灵活使用，而无需干预芯片的布局和工艺问题。

在定制芯片领域，FPGA(现场可编程门阵列)是一直可编程的半定制芯片，而传统的ASIC通常被称为全定制芯片。

全定制设计

全定制ASIC是利用集成电路（不使用现有库单元）精心设计集成电路中所有部件的最基本的设计方法。全定制设计可实现最小面积、最佳布线布局、最佳功耗速度积，获得最佳电气特性。该方法特别适用于模拟电路、数模混合电路、速度、功耗、管芯面积等特点（如线性度、对称性、电流容量、耐压性等）。特点：工作精细，设计要求高，周期长，设计成本高。

由于单元数据库和功能模块电路越来越成熟，全定制设计方法逐渐被半定制方法所取代。在集成电路设计中，整个电路采用全定制设计的现象越来越少。全定制设计要求：全定制设计应考虑工艺条件，根据电路的复杂性和难度确定设备工艺类型、布线层数、材料参数、工艺方法、极限参数、成品率等因素。需要经验和技能，掌握各种设计规则和方法，一般由专业微电子集成电路设计人员完成；传统设计可借鉴以往设计，部分设备需要根据电气特性进行设计；布局、布线、布局组合需要根据最佳尺寸、最合理布局、最短连接、最方便引脚等设计原则进行反复调整。图纸设计与工艺有关，充分了解工艺规范，根据工艺参数和工艺要求合理设计图纸和工艺。

半定制设计方法

半定制设计方法分为基于标准单元和基于门阵列的设计方法。

基于标准单元的设计方法是将预先设计的逻辑单元称为标准单元，如门、门、多路开关、触发器等，并根据具体规则和预先设计的大型单元组成ASIC。基于标准单元的ASIC也被称为CBIC(CellbasedIC)。

基于门阵列的设计方法是在晶体管阵列的基板或母片上完成特殊的集成电路设计。与全定制相比，半定制可以缩短开发周期，降低开发成本和风险。

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