Introduction au circuit intégré spécifique à l'application (ASIC)

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Dans notre vie de tous les jours, nous rencontrons différents types de gadgets électroniques. L'une des technologies qui a révolutionné la production d'électronique est « Circuit intégré «. Cette technologie a réduit la taille des produits électroniques en augmentant la densité de des portes logiques par puce. Aujourd'hui, nous avons différents types et configurations de circuits intégrés. Comme nous l'observons, nous constatons que certains circuits intégrés ne peuvent être utilisés que pour une application spécifique, tandis que certains circuits intégrés peuvent être reprogrammés et utilisés pour diverses applications. Ces types de circuits intégrés sont appelés ASIC. Mais en quoi diffèrent-ils? Comment est-il possible de les reprogrammer? Pourquoi certains CI ne peuvent pas être reprogrammés? Sautez pour trouver des réponses à ces questions.

Qu'est-ce qu'un ASIC (circuit intégré spécifique à une application)?

La forme complète de l'ASIC est Circuit intégré spécifique à l'application. Ces circuits sont spécifiques à l'application. CI conçus sur mesure pour une application particulière. Ceux-ci sont généralement conçus à partir du niveau racine en fonction des exigences de l'application particulière. Certains des basiques exemples de circuits intégrés spécifiques à l'application sont des puces utilisées dans les jouets, la puce utilisée pour l'interfaçage de la mémoire et du microprocesseur etc… Ces puces ne peuvent être utilisées que pour l'application pour laquelle elles sont conçues. Vraisemblablement, ces types de CI sont préférables uniquement pour les produits dont la production est importante. Comme les ASIC sont conçus à partir du niveau racine, ils ont un coût élevé et ne sont recommandés que pour les productions à grand volume.




Le principal avantage de l'ASIC est la taille réduite de la puce car un grand nombre d'unités fonctionnelles d'un circuit sont construites sur une seule puce. L'ASIC moderne comprend généralement un 32 bits microprocesseur , blocs de mémoire, circuits de réseau, etc. Ce type d'ASIC est connu sous le nom de Système sur puce . Avec le développement de la technologie de fabrication et l'augmentation de la recherche sur les méthodes de conception, des ASIC avec différents niveaux de personnalisation sont développés.

Types d'ASIC

Les ASIC sont classés en fonction de la quantité de personnalisation qu'un programmeur est autorisé à effectuer sur une puce.



Types d

Types d'ASIC

Personnalisé complet

Dans ce type de conception, toutes les cellules logiques sont conçues sur mesure pour une application spécifique. le concepteur doit fabriquer spécialement les cellules logiques pour les circuits. Toutes les couches de masque pour l'interconnexion sont personnalisées. Ainsi, le programmeur ne peut pas changer les interconnexions de la puce et pendant la programmation, il doit être conscient de la disposition du circuit.

L'un des meilleurs exemples d'ASIC entièrement personnalisé est un microprocesseur. Ce type de personnalisation permet aux concepteurs de construire divers circuits analogiques, des cellules de mémoire optimisées ou des structures mécaniques sur un même circuit intégré. Cet ASIC est coûteux et prend beaucoup de temps à fabriquer et à concevoir. Le temps nécessaire pour concevoir ces circuits intégrés est d'environ huit semaines.


Ceux-ci sont généralement destinés aux applications de haut niveau. Des performances maximales, une surface réduite et un degré de flexibilité maximal sont les principales caractéristiques de la conception entièrement personnalisée. Finalement, le risque est élevé dans la conception car les cellules logiques, la résistance, etc. les éléments du circuit utilisés ne sont pas prétestés.

Semi-personnalisé

Dans ce type de conception, les cellules logiques sont extraites de bibliothèques standard. ils ne sont pas fabriqués à la main comme dans la conception personnalisée complète. Certains masques sont personnalisés tandis que d'autres proviennent de la bibliothèque prédéfinie. En fonction du type de cellules logiques extraites de la bibliothèque et de la quantité de personnalisation autorisée pour les interconnexions, ces ASIC sont divisés en deux types: ASIC à base de cellules standard et ASIC à base de porte.

1). ASIC standard à base de cellules

Pour connaître ces IC, comprenons d'abord ce que représente une bibliothèque de cellules standard. Certaines des cellules logiques telles que ET portes, OU portes , multiplexeurs, tongs sont prédéfinis par des concepteurs utilisant différentes configurations, standardisés et stockés sous forme de bibliothèque. Cette collection est connue sous le nom de bibliothèque de cellules standard.

ASIC à base de cellules standard

ASIC standard basé sur les cellules

Dans les cellules standard, les cellules logiques ASIC de ces bibliothèques standard sont utilisées. Sur la puce ASIC, la zone de cellule standard ou le bloc flexible sont constitués de cellules standard disposées sous forme de lignes. Parallèlement à ces blocs flexibles, des méga cellules comme des microcontrôleurs ou même des microprocesseurs sont utilisées sur puce. Ces méga cellules sont également appelées fonctions Mega, macros de niveau système, blocs fixes, blocs fonctionnels standard.

La figure ci-dessus représente une cellule ASIC standard avec une seule zone de cellule standard et quatre blocs fixes. Les calques de masque sont personnalisés. Ici, le concepteur peut placer des cellules standard n'importe où sur la matrice. Ceux-ci sont également connus sous le nom de C-BIC.

2). ASIC basé sur un réseau de portes

Ce type d'ASIC semi-personnalisé a prédéfini transistors sur la plaquette de silicium .i.e. le concepteur ne peut pas modifier le placement des transistors présents sur la puce. Le tableau de base est le modèle prédéfini du tableau de portes et la cellule de base est la plus petite cellule répétitive du tableau de base.

Le concepteur n'a la responsabilité de changer l'interconnexion entre les transistors en utilisant les premières couches métalliques de la puce. Le concepteur choisit dans la bibliothèque de tableaux de portes. Ils sont souvent appelés Masked Gate Array. Les ASIC basés sur les tableaux de portes sont de trois types. Ils sont Channeled Gate Array, Channel less gate array et un réseau de portes structuré.

a) .Grille de portes canalisées

Dans ce type de réseau de portes, un espace de câblage est laissé entre les rangées de transistors. Celles-ci sont similaires au CBIC car il reste de l'espace pour l'interconnexion entre les blocs, mais dans les rangées de cellules du réseau de portes canalisées, la hauteur est fixe alors que dans CBIC, cet espace peut être ajusté.

Réseau de portes canalisées

Réseau de portes canalisées

Certaines des principales caractéristiques de ce tableau de portes sont: ce tableau de portes utilise des espaces prédéfinis entre les lignes pour l'interconnexion. Le temps de fabrication est de deux jours à deux semaines.

b). Réseau de portes sans canal

Il n'y a plus d'espace libre pour le routage entre les rangées de cellules comme on le voit dans le tableau de portes canalisées. Ici, le routage se fait au-dessus des cellules du réseau de portes car nous pouvons personnaliser la connexion entre le métal 1 et les transistors. Pour le routage, nous laissons les transistors se trouvant sur le chemin du routage inutilisés. Le délai de fabrication est d'environ deux semaines.

Réseau de portes sans canal

Réseau de portes sans canal

c). Réseau de portes structurées

Ce type de tableau de portes a un bloc incorporé avec des lignes de tableau de portes comme indiqué ci-dessus. Le réseau de portes structurées a une plus grande efficacité de zone de CBIC. Comme le réseau de portes masquées, ils ont un coût inférieur et un délai d'exécution plus rapide. Ici, la taille fixe de la fonction intégrée pose une limitation sur le réseau de portes structuré. Par exemple, si ce tableau de portes contient une zone réservée au contrôleur 32k bits, mais si dans une application nous n'avons besoin que d'une zone pour le contrôleur 16k bits, la zone restante est gaspillée.Tout le réseau de portes a un délai d'exécution de deux jours à deux semaines et tous ont une interconnexion personnalisée.

Réseau de portes structurées

Réseau de portes structurées

ASIC programmable

Il existe deux types d'ASIC programmables. Ce sont PLD et FPGA

PLD (dispositifs logiques programmables)

Ce sont les cellules standard facilement disponibles. Nous pouvons programmer un PLD pour personnaliser une partie de l'application, ils sont donc considérés comme ASIC. Nous pouvons utiliser différentes méthodes et logiciels pour programmer un PLD. Ceux-ci contiennent une matrice régulière de cellules logiques, généralement une logique de tableau programmable avec des bascules ou des verrous. Ici, les interconnexions sont présentes sous la forme d'un seul grand bloc.
La PROM est un exemple courant de ce CI. L'EPROM utilise des transistors MOS comme interconnexion, donc en appliquant une haute tension, nous pouvons la programmer. Les PLD n'ont pas de cellules logiques ou d'interconnexion personnalisées. Ceux-ci ont un délai de conception rapide.

Dispositifs logiques programmables

Dispositifs logiques programmables

FPGA (Field Programmable Gate Array)

Où les PLD ont une logique de matrice programmable comme cellules logiques FPGA a une disposition semblable à un réseau de portes. Les PLD sont plus petits et moins complexes que les FPGA. En raison de sa flexibilité et de ses caractéristiques, FPGA remplace TTL dans les systèmes microélectroniques. Le délai de conception n'est que de quelques heures.

Réseau de portes programmable sur site

Réseau de portes programmable sur site

Le noyau se compose de cellules logiques de base programmables qui peuvent exécuter les deux combinatoire et logique séquentielle . Nous pouvons programmer des cellules logiques et les interconnecter en utilisant certaines méthodes. Les cellules logiques de base sont entourées par la matrice d'interconnexions programmables et le noyau est entouré de cellules d'E / S programmables.

FPGA comprend généralement des blocs logiques configurables, des blocs d'E / S configurables, des interconnexions programmables, des circuits d'horloge, une ALU, une mémoire, des décodeurs.

Nous avons vu les différents types d'ASIC disponibles. Voyons maintenant quand toutes ces personnalisations et interconnexions sont effectuées pendant la fabrication.

Flux de conception ASIC (Application Specific Integrated Circuit)

La conception d'un ASIC s'effectue étape par étape. Cet ordre d'étapes est appelé Conception ASIC Couler. Les étapes du flux de conception sont données dans l'organigramme ci-dessous.

Flux de conception ASIC

Flux de conception ASIC

Entrée de conception: À cette étape, la microarchitecture de la conception est implémentée à l'aide de langages de description de matériel tels que VHDL, Verilog et System Verilog.
Synthèse logique: A cette étape, une liste de cellules logiques à utiliser, les types d'interconnexions et toutes les autres parties requises pour l'application est préparée en utilisant HDL.
Partitionnement du système: À cette étape, nous divisons la matrice largement dimensionnée en morceaux de taille ASIC.
Simulation de pré-mise en page: À cette étape, un test de simulation est effectué pour vérifier si la conception contient des erreurs.
Planification de l'étage: A cette étape, des blocs de netlist sont disposés sur la puce.
Placement: A cette étape, l'emplacement des cellules à l'intérieur du bloc est décidé.
Routage: À cette étape, des connexions sont établies entre les blocs et les cellules. Extraction: à cette étape, nous déterminons les propriétés électriques telles que la valeur de résistance et la valeur de capacité de l'interconnexion.
Simulation post-mise en page: Avant la soumission du modèle pour la fabrication cette simulation est faite pour vérifier si le système fonctionne correctement avec une charge d'interconnexion.

Exemples d'ASIC

Ayant connu les différentes caractéristiques de l'ASIC, voyons maintenant quelques exemples d'ASIC.
ASIC standard à base de cellules: LCB 300k, 500k de LSI Logic Company, SIG1, 2, 3 familles d'ABB Hafo Inc., GCS90K de GCS Plessey.
Produits de réseau de portes: AUA20K de Harris Semiconductor, SCX6Bxx de National Semiconductors, familles TGC / TEC de Texas Instruments.
Produits PLD: Famille PAL de micro-dispositifs avancés, famille GAL de Philips Semiconductors, XC7300 et EPLD de XILINX.
Produits FPGA: Séries XC2000, XC3000, XC4000, XC5000 de XILINX, pASIC1 de QuickLogic, MAX5000 de Altera.

Applications de l'ASIC

Le caractère unique de l'ASIC a révolutionné la façon dont l'électronique est fabriquée. Ceux-ci ont réduit les tailles de matrice tout en augmentant la densité de des portes logiques par puce. Les ASIC sont généralement préférés pour les applications de haut niveau. La puce ASIC est utilisée comme cœurs IP pour les satellites, la fabrication de ROM, Microcontrôleur et divers types d'applications dans les secteurs médical et de la recherche. L'une des applications tendance de l'ASIC est BITCOIN MINER.

Mineur de Bitcoin

L'exploitation de la crypto-monnaie nécessite une plus grande puissance et du matériel à haute vitesse. Un processeur à usage général ne peut pas fournir une capacité de calcul aussi élevée à haute vitesse. Les mineurs ASIC bitcoin sont des puces intégrées dans des cartes mères spécialement conçues et alimentations , construit en une seule unité. Il s'agit d'un matériel spécialement conçu jusqu'au niveau de la puce pour l'extraction de bitcoins. Ces unités peuvent exécuter l'algorithme d'une seule crypto-monnaie. Pour un type différent de crypto-monnaie, nous avons probablement besoin d'un autre mineur.

Avantages et inconvénients de l'ASIC

Le avantages de l'ASIC inclure les éléments suivants.

    • La petite taille de l'ASIC en fait un excellent choix pour les grands systèmes sophistiqués.
    • Comme un grand nombre de circuits construits sur une seule puce, cela entraîne des applications à grande vitesse.
    • ASIC a une faible consommation d'énergie.
    • Comme ils sont le système sur la puce, les circuits sont présents côte à côte. Ainsi, un routage très minimal est nécessaire pour connecter divers circuits.
    • ASIC n'a pas de problèmes de synchronisation et de configuration de post-production.

Le inconvénients de l'ASIC inclure les éléments suivants.

    • Comme ce sont des puces personnalisées, elles offrent une faible flexibilité pour la programmation.
    • Comme ces puces doivent être conçues à partir du niveau racine, elles sont d'un coût unitaire élevé.
    • Les ASIC ont une plus grande marge de mise sur le marché

ASIC vs FPGA

La différence entre ASIC et FPGA comprend les éléments suivants.

ASIC

FPGA

Non reprogrammable

Reprogrammable

Préféré pour les productions à grand volume

Préféré pour les productions à faible volume
Ce sont des applications spécifiques

Utilisé comme prototypes d'un système

L'efficacité énergétique nécessite moins d'énergie

Moins écoénergétique nécessite plus de puissance

Ce sont des circuits permanents qui ne peuvent pas être mis à jour de temps en temps.Très approprié pour les applications où le circuit doit être mis à jour de temps en temps, telles que les puces de téléphone portable, les stations de base, etc.

Il s'agit donc d'un aperçu de Circuit intégré spécifique à l'application . L'invention de l'ASIC a provoqué un énorme changement dans la façon dont l'électronique est utilisée. Nous utilisons l'ASIC dans notre vie quotidienne sous la forme de diverses applications. Quelles applications d'ASIC avez-vous rencontrées? Avec quel type d'ASIC avez-vous travaillé?