Introduzione alla tecnologia ASIC | Diversi tipi, flusso di progettazione, applicazioni

In questo tutorial, vedremo un'introduzione di base all'ASIC, quali sono i diversi tipi di tecniche di progettazione ASIC, il flusso di progettazione ASIC, le applicazioni e molti altri. Introduzione Una breve storia degli ASICQuali sono i diversi tipi di ASIC? ASIC completamente personalizzatoSemi -Custom ASICGate Array ASICSStandard Cell based ASICDesign FlussoApplicazioniIntroduzioneIn senso lato, un circuito integrato specifico dell'applicazione o semplicemente un ASIC può essere definito come un circuito integrato personalizzato per una particolare applicazione o uso finale piuttosto che utilizzarlo per scopi generici. Alcuni esempi di base di ASIC sono l'IC in un lettore DVD per decodificare le informazioni su un disco ottico o un IC progettato come regolatore di carica per batterie agli ioni di litio. Gli ASIC sono abbastanza diversi da altri circuiti integrati standard come microprocessori o memorie poiché sono progettati per essere utilizzato in una vasta gamma di applicazioni. Al contrario, un ASIC può essere utilizzato solo nell'applicazione per cui è stato specificamente progettato per l'esecuzione. A causa della natura personalizzata specifica dell'applicazione degli ASIC, spesso offrono più funzionalità allo stesso tempo essendo di piccole dimensioni, consumando meno energia e dissipando meno calore rispetto a una soluzione IC standard. L'altra principale differenza tra circuiti integrati standard come Memories, ad esempio, e ASIC è che il progettista dell'ASIC può essere direttamente il cliente, che potrebbe avere un'idea più chiara dell'applicazione. Dall'inizio degli anni '1980, il mondo dei circuiti integrati è stato altamente influenzato dagli ASIC. Sono responsabili dell'espansione dell'industria dei semiconduttori, del cambiamento nel modello di business dei circuiti integrati e del significativo aumento dei progetti di circuiti integrati e degli ingegneri di progettazione. Gli ASIC hanno anche influenzato l'intero ecosistema della progettazione e produzione di semiconduttori come la progettazione, la fabbricazione e il processo di produzione del sistema , test e confezionamento e gli strumenti CAD.Una breve storia degli ASICL'origine degli ASIC può essere fatta risalire ad almeno 20 lacrime prima dello sviluppo della Masked ROM (Read-only Memory). All'inizio degli anni '1970 è stato introdotto il concetto di Gate Array e Standard Cells, ma durante gli anni '1980 la tecnologia ASIC ha assunto un posto di rilievo nel mercato dei circuiti integrati in tutto il mondo. È durante questo periodo che diversi produttori e fornitori di semiconduttori, in particolare da Il Giappone domina il mercato ASIC e sono considerati specialisti ASIC. Quali sono i diversi tipi di ASIC? La storia dei progetti e della tecnologia ASIC può essere caratterizzata dalla continua crescita ed evoluzione di vari stili di progettazione di ASIC. Statisticamente, gli ASIC in stile gate array basati su CMOS sono il tipo dominante, ma ci sono molti altri tipi di design ASIC. Fondamentalmente, tutti gli ASIC possono essere classificati in tre tipi. Sono: Full – ASIC personalizzatiSemi – Custom ASICs IC programmabiliGli ASIC semi-personalizzati sono di nuovo divisi in design basati su Gate Array e design basati su Cell. Gli array di gate sono ulteriormente suddivisi in array con canali e senza canale, mentre i progetti basati su celle sono ulteriormente suddivisi in celle standard e macrocelle. Venendo ai circuiti integrati programmabili, tutti i dispositivi logici programmabili come PAL, PLA, PLD basato su EPROM (EPLD), PLD basato su EEPROM (EEPLD) e i dispositivi programmabili sul campo come FPGA rientrano in questa categoria. L'immagine seguente mostra i diversi tipi di ASIC e anche le sottocategorie di ciascun tipo. Vediamo ora brevemente alcuni dei tipi importanti di ASIC. Full-Custom ASICIn Full-Custom ASIC, tutte le celle logiche, i circuiti e i layout sono progettati specificamente per quel particolare ASIC da zero. Il progettista può scegliere un progetto ASIC completamente personalizzato solo se pensa che le librerie esistenti non siano abbastanza veloci o che le celle logiche non siano piccole o che il consumo energetico sia elevato. I principali vantaggi degli ASIC completamente personalizzati rispetto ad altri progetti di circuiti integrati sono offre le massime prestazioni possibili con la dimensione dello stampo più piccola possibile. Ma queste alte prestazioni e dimensioni ridotte hanno un prezzo di tempi di progettazione più lunghi, progettazione complessa e costo complessivo del circuito integrato stesso. Alcuni degli ASIS completamente personalizzati più comuni sono microprocessori, memorie, processori analogici, dispositivi di comunicazione analogico/digitale, sensori, Trasduttori, circuiti integrati ad alta tensione per automobili, ecc. Di seguito è riportato un esempio di progetto di una porta NAND a 2 ingressi basata su CMOS, in cui ogni livello è definito. ASIC semi-personalizzato Per ridurre i tempi di progettazione e ridurre i costi di ASIC, sono stati sviluppati numerosi altri approcci di progettazione e questi sono chiamati design ASIC semi-personalizzati. Di solito, il livello più basso di gerarchia coinvolto nella progettazione semi-personalizzata è il livello logico o il livello del gate. Ciò è in contrasto con il lavoro completamente personalizzato, in cui potrebbero essere coinvolti il ​​design e il layout del singolo transistor. Come accennato in precedenza, il design ASIS semi-personalizzato può essere ulteriormente suddiviso in Gate Array e Standard Cells. Vediamo un po' questi tipi. ASIC di array di gateIn ASIC basati su Gate Array, i transistor di tipo p e n sono predefiniti su un wafer di silicio come array. Sulla base del progetto del cliente e delle interconnessioni ottenute dal progetto, il fornitore di silicio fornisce questi wafer di base. Pertanto, il wafer di base è specifico per il cliente in quanto è progettato in base alle connessioni fornite dal cliente tra i transistor del gate array. I gate array sono nuovamente divisi in due tipi chiamati Channeled Gate Array e Channel-less Gate Array. Negli array di gate canalizzati, le interconnessioni tra le celle logiche vengono eseguite all'interno dei canali predefiniti tra le righe delle celle logiche. In caso di array di gate senza canale, le connessioni sono realizzate su uno strato metallico superiore sopra le celle logiche. L'ASIC basato su celle standard ASICA basato su celle standard utilizza celle logiche predefinite come gate, multiplexer, flip-flop, sommatori ecc. Queste celle logiche sono note come celle standard che sono già progettate e archiviate in una libreria. Questa libreria viene importata nello strumento CAD e il progetto può essere eseguito utilizzando i componenti della libreria come input. In genere, i progetti basati su celle standard sono organizzati come file di celle ad altezza costante sul chip, proprio come una fila di mattoni. Se combinati con componenti a livello logico, i progetti basati su celle standard possono essere utilizzati per implementare funzioni complesse come moltiplicatori e array di memoria. Il design delle celle standard può anche contenere celle predefinite più grandi e complesse come microcontrollori o microprocessori. Queste celle più grandi sono chiamate Megacells. Design Flow Fino ad ora, hai visto una breve introduzione all'ASIC e anche ad alcuni tipi importanti di ASIC. In questa sezione cerchiamo di comprendere brevemente il flusso di processo specifico e le procedure coinvolte nella progettazione e nello sviluppo di un ASIC. L'immagine seguente mostra un tipico flusso di progettazione coinvolto nella progettazione di un ASIC semicustom. Può essere fondamentalmente suddiviso in 10 passaggi. Voce di progettazione: nella fase, il progetto logico viene creato utilizzando un linguaggio di descrizione hardware (HDL) come VHDL o Verilog o con l'aiuto dell'immissione schematica. Sintesi logica: una volta progettata la logica utilizzando Voce HDL o Schema, il passo successivo è estrarre la descrizione delle celle logiche e delle loro interconnessioni. Questa informazione è anche chiamata Netlist. Partizionamento del sistema: il passaggio successivo consiste nel dividere logicamente l'intero sistema in piccoli blocchi di dimensioni ASIC. Simulazione pre-layout: prima di entrare nel layout fisico effettivo del progetto, uno strumento di simulazione controlla il circuito per corretto funzionamento. In effetti, questo processo viene eseguito in ogni fase in modo che se vengono rilevati errori, sarebbe facile correggerli in questa fase stessa. Il processo fino a questo passaggio è generalmente considerato come progettazione logica. I passaggi successivi sono relativi al layout fisico effettivo del progetto. Pianificazione: il primo passaggio del progetto fisico è disporre tutti i blocchi del circuito sul chip. Posizionamento: in questo passaggio, la posizione delle celle logiche in un blocchi sono impostati.Routing: una volta completato il posizionamento dei blocchi e delle celle, è il momento di creare le connessioni tra le celle e i blocchi.Estrazione: il passaggio successivo consiste nel determinare la resistenza e la capacità delle interconnessioni precedentemente realizzate, poiché decidono il ritardo del segnale. Inoltre, in questa fase vengono calcolati i ritardi. Simulazione post-layout: una volta completata la progettazione fisica, il circuito viene nuovamente testato per funzionare. Per il processo di simulazione vengono presi in considerazione anche i ritardi calcolati in precedenza. Design Rule Check (DRC): il passaggio finale consiste nel verificare il layout dell'intero circuito e verificare se è conforme alle specifiche delle regole di progettazione. ApplicazioniL'area di applicazione degli ASIC è molto ampi in quanto vengono utilizzati praticamente ovunque dove ci sia bisogno di prestazioni, personalizzazione e dimensioni.

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