Незаменимые в современной электротехнике специализированные интегральные схемы или микросхемы специального назначения (ASIC) образуют разнообразную группу интегральных схем (ИС), которые помогают разработчикам оптимизировать сложные электронные устройства.
Было время, когда дискретных компонентов (в первую очередь резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, транзисторов и диодов) было достаточно для многих проектов электротехники. В настоящее время редко можно увидеть печатную плату, на которой нет хотя бы одной микросхемы, и нередко можно увидеть платы, заполненные микросхемами различных форм и размеров. Огромная популярность интегральных схем в современной электротехнике тесно связана с огромным количеством микрочипов, которые инженеры могут легко найти, оценить, купить и внедрить. Однако готовые ИС иногда не обеспечивают прямого пути к оптимизированному решению, и в таких случаях инженеры могут рассмотреть возможность использования микросхем ASIC.
Официального заявления о точном значении ASIC не существует, плюс многие профессионалы в области электроники не всегда могут прийти к единому мнению о том, что такое ASIC и следует ли классифицировать конкретный компонент как ASIC. Тем не менее, следующее определение, взятое из старого выпуска журнала Analog Dialogue, является отличной отправной точкой для понимания ASIC.
ASIC – это интегральная схема, разработанная для конкретного клиента, приложения или рынка с использованием методов на основе ячеек, в которой необходимые функциональные блоки берутся из библиотеки ячеек, соединяются между собой и моделируются для обеспечения желаемых системных функций и уровня производительности. Это определение не включает ИС, разработанные с использованием традиционных методов «индивидуального» проектирования.
Первая часть этого определения – ИС, разработанная для конкретного потребителя, приложения или рынка – представляет собой более широкое и, возможно, более распространенное понимание этого термина. Однако вторая часть определения полезна, поскольку она отличает «ASIC» от просто «индивидуальной ИС». Если ASIC – это то же самое, что и нестандартная ИС, зачем нам нужен термин ASIC.
Полное определение идентифицирует ASIC как ИС, которая предлагает настраиваемые функции, но не требует полностью настраиваемого процесса проектирования. Вместо этого индивидуальная функциональность достигается с помощью процесса, аналогичного проектированию печатной платы. При рисовании схемы мы берем компоненты из библиотеки и соединяем их между собой, а иногда мы проверяем части схемы с помощью моделирования. Для ASIC разработчики берут функциональные блоки из библиотеки, соединяют их между собой и проверяют функциональность и производительность с помощью моделирования. В качестве примера далее показана ASIC, которая сочетает в себе ядро стандартного процессора цифровых сигналов (DSP) с дополнительной схемой, необходимой для предполагаемого приложения клиента.
Термин «специального применения» в ASIC может вводить в заблуждение. В современном электротехническом жаргоне «применение» обычно относится к практическому назначению электрического оборудования. Другими словами, применение электрического устройства отвечает на вопрос: для какой полезной работы это устройство предназначено? Например, в своей вводной статье о фильтрах Ник Дэвис объясняет, что применение фильтров включает в себя радиосвязь, источники питания постоянного тока и аудиоэлектронику. Это означает, что схемы фильтров полезны в модулях или системах, целью которых является обеспечение беспроводной связи, создание надежного напряжения питания или воспроизведение высококачественного звука.
Оказывается, специализированные интегральные схемы часто не являются специфическими для конкретного приложения или, по крайней мере, они не ограничены конкретным приложением. Высокоинтегрированный преобразователь данных ASIC, например, может быть разработан в первую очередь для приложений медицинской визуализации, но вполне возможно, что это же устройство будет также полезно для промышленной обработки видео или многоканальной автомобильной сенсорной сети. Можно даже подумать о чем-то более общем, таком как система на кристалле (SoC) ASIC, которая изначально была разработана для смартфонов, но имеет достаточную функциональность, чтобы быть успешной в самых разных приложениях.
Таким образом, возможно, более точным будет термин «целевая интегральная схема» (TSIC) или «функциональная интегральная схема» (FSIC). Тем не менее, TSIC и FSIC определенно не сходят с языка так же гладко, как ASIC. Как правило, ASIC спроектирован так, чтобы один чип мог эффективно выполнять определенную комбинацию задач. Даже если эта комбинация задач изначально необходима для конкретного приложения, могут быть различные другие приложения, в которых эта ASIC будет эффективной и желательной альтернативой серийным микросхемам.
Разработка и проверка индивидуальной ИС, даже с помощью функциональных блоков из библиотеки ячеек, не является тривиальной задачей. Если разработчик не может найти требуемую функциональность или производительность среди готовых ИС, первым решением обычно является «продолжать искать». Если проблема сохраняется, программируемая логика (программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA) или сложное программируемое логическое устройство (CPLD)) может быть разумным вариантом.
Разработка ASIC может потребовать месяцев или даже лет труда и миллионов долларов единовременных инженерных затрат до того, как будет изготовлен один чип. Таким образом, крупномасштабные проекты с высокими требованиями к производительности обычно представляют собой ситуации, когда руководство может оправдать время и деньги, затраченные на разработку ASIC. При достаточном объеме ASIC действительно может стать экономически выгодным. Общая себестоимость производства уменьшается, потому что снижение затрат на компоненты и сборку более чем компенсирует добавление амортизированной стоимости разработки ASIC.
В следующем списке представлены основные этапы проекта проектирования ASIC.
- Системные требования и другие соответствующие ограничения используются для формулирования спецификаций ASIC.
- Спецификации обеспечивают основу для создания архитектурного проекта высокого уровня.
- Высокоуровневая архитектура реализована как низкоуровневая логика. Как и в случае с FPGA и CPLD, языки описания оборудования (VHDL и Verilog) стали ценными инструментами для проектирования ASIC.
- Схемотехника тестируется для проверки функциональности и времени.
- Логический проект должен быть переведен в физическую схему.
- После проверки физического макета проект готов к печати и изготовлению.
- После успешного изготовления и корпусирования ASIC может пройти электрические испытания и быть интегрирована в прототипы для лабораторных и полевых испытаний.
В целом, ASIC являются важным дополнением к высокопроизводительным и массовым электронным устройствам, которые невозможно оптимально спроектировать с использованием готовых компонентов.
© digitrode.ru