Introducción al circuito integrado específico de la aplicación (ASIC)

En nuestro día a día, nos encontramos con varios tipos de aparatos electrónicos. Una de las tecnologías que produjo una revolución en la producción de productos electrónicos es “ Circuito integrado “. Esta tecnología redujo el tamaño de los productos electrónicos al aumentar la densidad de puertas lógicas por chip. Hoy tenemos diferentes tipos y configuraciones de circuitos integrados. Como observamos a nuestro alrededor, encontramos que algunos circuitos integrados se pueden usar solo para una aplicación específica, mientras que algunos circuitos integrados se pueden reprogramar y usar para varias aplicaciones. Estos tipos de circuitos integrados se denominan ASIC. Pero, ¿en qué se diferencian? ¿Cómo es posible reprogramarlos? ¿Por qué algunos circuitos integrados no se pueden reprogramar? Súbete para encontrar respuestas a estas preguntas.

¿Qué es un ASIC (circuito integrado de aplicación específica)?

La forma completa de ASIC es Circuito Integrado de Aplicacion Especifica. Estos circuitos son específicos de la aplicación, es decir. CI hechos a medida para una aplicación particular. Por lo general, se diseñan desde el nivel raíz en función de los requisitos de la aplicación en particular. Algunos de los básicos ejemplos de circuitos integrados de aplicaciones específicas son chips que se utilizan en juguetes, el chip que se utiliza para la interfaz de la memoria y el microprocesador, etc. Estos chips se pueden utilizar sólo para aquella aplicación para la que están diseñados. Presumiblemente, estos tipos de circuitos integrados se prefieren solo para aquellos productos que tienen una gran producción. Como los ASIC están diseñados desde el nivel raíz, tienen un alto costo y se recomiendan solo para producciones de gran volumen.

La principal ventaja de ASIC es el tamaño reducido del chip, ya que una gran cantidad de unidades funcionales de un circuito se construyen sobre un solo chip. ASIC moderno generalmente incluye un 32 bits microprocesador , bloques de memoria, circuitos de red, etc. Este tipo de ASIC se conoce como Sistema en chip . Con el desarrollo de la tecnología de fabricación y el aumento de la investigación en los métodos de diseño, se desarrollan ASIC con diferentes niveles de personalización.

Tipos de ASIC

Los ASIC se clasifican en función de la cantidad de personalización que un programador puede realizar en un chip.

Tipos de ASIC

Totalmente personalizado

En este tipo de diseño, todas las celdas lógicas están hechas a medida para una aplicación específica. El diseñador tiene que fabricar especialmente las celdas lógicas para los circuitos. Todas las capas de máscara para la interconexión están personalizadas. Por lo tanto, el programador no puede cambiar las interconexiones del chip y, mientras programa, debe conocer el diseño del circuito.

Uno de los mejores ejemplos de ASIC totalmente personalizado es un microprocesador. Este tipo de personalización permite a los diseñadores construir varios circuitos analógicos, celdas de memoria optimizadas o estructuras mecánicas en un solo IC. Este ASIC es costoso y requiere mucho tiempo de fabricación y diseño. El tiempo que se tarda en diseñar estos circuitos integrados es de unas ocho semanas.

Suelen estar destinados a aplicaciones de alto nivel. El máximo rendimiento, el área minimizada y el mayor grado de flexibilidad son las principales características del diseño totalmente personalizado. Eventualmente, el riesgo es alto en el diseño, ya que las celdas lógicas, la resistencia, etc., los elementos del circuito utilizados no se han probado previamente.

Semi-personalizado

En este tipo de diseño, las celdas lógicas se toman de bibliotecas estándar. no están hechos a mano como en el diseño personalizado completo. Algunas máscaras se personalizan mientras que otras se toman de la biblioteca prediseñada. Según el tipo de celdas lógicas tomadas de la biblioteca y la cantidad de personalización permitida para las interconexiones, estos ASIC se dividen en dos tipos: ASIC estándar basado en celdas y ASIC basado en Gate Array.

1). ASIC estándar basado en células

Para conocer estos CI primero, comprendamos qué significa una biblioteca de células estándar. Algunas de las celdas lógicas como Y puertas, O puertas , multiplexores, chancletas están prediseñados por diseñadores utilizando diferentes configuraciones, estandarizados y almacenados en forma de biblioteca. Esta colección se conoce como biblioteca de células estándar.

ASIC estándar basado en células

En las celdas estándar basadas en celdas, se utilizan celdas lógicas ASIC de estas bibliotecas estándar. En el chip ASIC, el área de celda estándar o el bloque flexible están formados por celdas estándar dispuestas en forma de filas. Junto con estos bloques flexibles, se utilizan megacélulas como microcontroladores o incluso microprocesadores en chip. Estas megacélulas también se conocen como megafunciones, macros de nivel de sistema, bloques fijos, bloques funcionales estándar.

La figura anterior representa un ASIC de celda estándar con un área de celda estándar única y cuatro bloques fijos. Las capas de máscara están personalizadas. Aquí el diseñador puede colocar celdas estándar en cualquier lugar del dado. Estos también se conocen como C-BIC.

2). ASIC basado en matriz de puerta

Este tipo de ASIC semipersonalizado tiene predefinidos transistores en la oblea de silicio, es decir. el diseñador no puede cambiar la ubicación de los transistores presentes en el dado. La matriz base es el patrón predefinido de la matriz de puerta y la celda base es la celda repetitiva más pequeña de la matriz base.

El diseñador solo tiene la responsabilidad de cambiar la interconexión entre transistores utilizando las primeras capas de metal del troquel. El diseñador elige de la biblioteca de arreglos de puertas. Estos a menudo se denominan Matriz de puerta enmascarada. Los ASIC basados ​​en Gate Array son de tres tipos. Se trata de una matriz de puerta canalizada, una matriz de puerta sin canal y una matriz de puerta estructurada.

a) .Arreglo de puerta canalizada

En este tipo de arreglo de puertas, el espacio de cableado se deja entre las filas de transistores. Estos son similares a CBIC ya que se deja espacio para la interconexión entre bloques, pero en el arreglo de puertas canalizadas las filas de celdas están fijas en altura, mientras que en CBIC este espacio se puede ajustar.

Matriz de puerta canalizada

Algunas de las características principales de esta matriz de puertas son: esta matriz de puertas utiliza espacios predefinidos entre filas para la interconexión. El tiempo de fabricación es de dos días a dos semanas.

B). Matriz de puerta sin canal

No queda espacio libre para el enrutamiento entre filas de celdas, como se ve en la matriz de puertas canalizadas. Aquí, el enrutamiento se realiza desde arriba de las celdas de la matriz de puertas, ya que podemos personalizar la conexión entre el metal 1 y los transistores. Para el enrutamiento, dejamos los transistores que se encuentran en el camino del enrutamiento sin usar. El plazo de fabricación es de unas dos semanas.

Matriz de puerta sin canal

C). Matriz de puerta estructurada

Este tipo de matriz de puerta tiene un bloque incrustado junto con filas de matriz de puerta como se ve arriba. La matriz de puerta estructurada tiene una mayor eficiencia de área de CBIC. Al igual que la matriz de puertas enmascaradas, estos tienen un costo menor y una respuesta más rápida. Aquí, el tamaño fijo de la función incrustada plantea una limitación en la matriz de puertas estructuradas. Por ejemplo, si esta matriz de puertas contiene un área reservada para el controlador de 32k bits, pero si en una aplicación solo requerimos un área para el controlador de 16k bits, el área restante se desperdicia. Toda la matriz de puertas tiene un tiempo de respuesta de dos días a dos semanas y todos tienen interconexión personalizada.

Matriz de puerta estructurada

ASIC programable

Hay dos tipos de ASIC programables. Son PLD y FPGA

PLD (dispositivos lógicos programables)

Estas son las celdas estándar disponibles. Podemos programar un PLD para personalizar una parte de la aplicación, por lo que se consideran ASIC. Podemos utilizar diferentes métodos y software para programar un PLD. Estos contienen una matriz regular de celdas lógicas, generalmente lógica de matriz programable junto con flip-flops o pestillos. Aquí las interconexiones están presentes como un solo bloque grande.
PROM es un ejemplo común de este IC. EPROM utiliza transistores MOS como interconexión, por lo que aplicando alto voltaje podemos programarlo. Los PLD no tienen celdas lógicas personalizadas ni interconexión. Estos tienen un cambio de diseño rápido.

Dispositivos lógicos programables

FPGA (matriz de puerta programable en campo)

Donde los PLD tienen lógica de matriz programable como celdas lógicas FPGA tiene una disposición similar a una matriz de puertas. Los PLD son más pequeños y menos complejos que los FPGA. Debido a su flexibilidad y características, FPGA está reemplazando TTL en sistemas microelectrónicos. El tiempo de respuesta del diseño es de solo unas horas.

Arreglos de compuertas lógicas programables en sitio

El núcleo consta de celdas lógicas básicas programables que pueden realizar tanto combinacional y lógica secuencial . Podemos programar celdas lógicas e interconectarlas usando algunos métodos. Las celdas lógicas básicas están rodeadas por la matriz de interconexiones programables y el núcleo está rodeado por celdas de E / S programables.

FPGA generalmente consta de bloques lógicos configurables, bloques de E / S configurables, interconexiones programables, circuitos de reloj, ALU, memoria, decodificadores.

Hemos visto los diferentes tipos de ASIC disponibles. Ahora, comprendamos cuándo se realizan todas estas personalizaciones e interconexiones durante la fabricación.

Flujo de diseño de circuito integrado de aplicación específica (ASIC)

El diseño de un ASIC se lleva a cabo paso a paso. Este orden de pasos se conoce como Diseño ASIC Fluir. Los pasos del flujo de diseño se dan en el siguiente diagrama de flujo.

Flujo de diseño ASIC

Entrada de diseño: En este paso, la microarquitectura del diseño se implementa utilizando lenguajes de descripción de hardware como VHDL, Verilog y System Verilog.
Síntesis lógica: En este paso, se prepara una lista de redes de celdas lógicas que se utilizarán, los tipos de interconexiones y todas las demás partes necesarias para la aplicación utilizando HDL.
Partición del sistema: En este paso, dividimos el troquel de gran tamaño en piezas de tamaño ASIC.
Simulación de diseño previo: En este paso, se realiza una prueba de simulación para verificar si el diseño contiene algún error.
Planificación del piso: En este paso, los bloques de netlist se organizan en el chip.
Colocación: En este paso se decide la ubicación de las celdas dentro del bloque.
Enrutamiento: En este paso, se dibujan conexiones entre bloques y celdas. Extracción: en este paso, determinamos las propiedades eléctricas como el valor de resistencia y el valor de capacitancia de la interconexión.
Simulación posterior al diseño: Antes del envío del modelo para la fabricación se realiza esta simulación para comprobar si el sistema funciona correctamente junto con una carga de interconexión.

Ejemplos de ASIC

Habiendo conocido las diferentes características de ASIC ahora veamos algunos ejemplos de ASIC.
ASIC estándar basado en células: LCB 300k, 500k de LSI Logic Company, SIG1, 2, 3 familias de ABB Hafo Inc., GCS90K de GCS Plessey.
Productos Gate Array: AUA20K de Harris Semiconductor, SCX6Bxx de National Semiconductors, familias TGC / TEC de Texas Instruments.
Productos PLD: Familia PAL de microdispositivos avanzados, familia GAL de Philips Semiconductors, XC7300 y EPLD de XILINX.
Productos FPGA: XC2000, XC3000, XC4000, XC5000 series de XILINX, pASIC1 de QuickLogic, MAX5000 de Altera.

Aplicaciones de ASIC

La singularidad de ASIC ha revolucionado la forma en que se fabrican los productos electrónicos. Estos redujeron los tamaños de los troqueles mientras aumentaban la densidad de puertas lógicas por chip. Los ASIC generalmente se prefieren para aplicaciones de alto nivel. El chip ASIC se utiliza como núcleos IP para satélites, fabricación de ROM, Microcontrolador y varios tipos de aplicaciones en los sectores médico y de investigación. Una de las aplicaciones de tendencia de ASIC es BITCOIN MINER.

Minero de Bitcoin

La minería de criptomonedas requiere mayor potencia y hardware de alta velocidad. Una CPU de propósito general no puede proporcionar una capacidad informática tan alta a alta velocidad. Los mineros bitcoin ASIC son chips integrados en placas base especialmente diseñadas y fuentes de alimentación , construido en una sola unidad. Es un hardware diseñado expresamente hasta el nivel de chip para la minería de bitcoins. Estas unidades pueden ejecutar el algoritmo de una única criptomoneda. Para un tipo diferente de criptomoneda, presumiblemente, necesitamos otro minero.

Ventajas y desventajas de ASIC

los ventajas de ASIC Incluya lo siguiente.

• • El pequeño tamaño de ASIC lo convierte en una excelente opción para sistemas sofisticados más grandes.

• • Como una gran cantidad de circuitos se construyen sobre un solo chip, esto genera aplicaciones de alta velocidad.

• • ASIC tiene un bajo consumo de energía.

• • Como son el sistema en el chip, los circuitos están presentes uno al lado del otro. Por lo tanto, se necesita un enrutamiento mínimo para conectar varios circuitos.
  • ASIC no tiene problemas de sincronización ni configuración de posproducción.

los desventajas de ASIC Incluya lo siguiente.

• • Como se trata de chips personalizados, proporcionan poca flexibilidad para la programación.

• • Como estos chips deben diseñarse desde el nivel de la raíz, tienen un alto costo por unidad.
  • ASIC tiene un mayor margen de tiempo de comercialización.

ASIC frente a FPGA

La diferencia entre ASIC y FPGA incluye lo siguiente.

Por lo tanto, se trata de una descripción general de Circuito Integrado de Aplicacion Especifica . La invención de ASIC ha provocado un cambio tremendo en la forma en que se utilizan los dispositivos electrónicos. Usamos ASIC en nuestra vida diaria en forma de varias aplicaciones. ¿Qué aplicaciones de ASIC te has encontrado? ¿Con qué tipo de ASIC ha trabajado?