什么是ASIC？

每个人都应该熟悉“集成电路”（IC）这一术语，它是现代电子设备中的基本组件。IC有不同的类型和配置，可满足广泛的应用。从广义上讲，这些电路可以分为两类：一类是为特定应用而设计的，另一类是可以为各种目的重新编程的。本文我们将深入研究专用集成电路（ASIC），这是一种为特定用途量身定制的IC，重点介绍它们的设计、优势和应用领域。

什么是ASIC芯片（专用集成电路）？

ASIC是专门为特定应用或用途设计和定制的集成电路。与可用于各种设备的通用集成电路不同，它们通常是根据其预期应用的特定需求从头开始创建的。例子包括玩具中的芯片或用于存储器和微处理器接口的芯片。

ASIC的类型

1.全定制ASIC

这些ASIC是为特定应用从头开始设计的。芯片的每个方面，从逻辑门到电路布局，都是定制的，以满足预期应用的精确要求。全定制ASIC具有最高的性能和最低的功耗，但它们也是设计和制造最昂贵、最耗时的。它们通常用于容量足够高或性能要求足够严格的应用中，以证明额外的成本和努力是合理的。

2.半定制ASIC

半定制ASIC，包括标准单元ASIC和门阵列ASIC，在定制和成本之间实现了平衡。

标准单元ASIC：在标准的基于单元的ASIC设计中，标准单元库包含预先设计的逻辑单元，如AND门、OR门、多路复用器和触发器。这些单元被标准化并存储以用于ASIC芯片设计。ASIC芯片通常包括由这些成排排列的单元组成的标准单元区域或柔性块，并且还可以包含诸如微控制器或微处理器之类的巨型单元，称为巨型功能、系统级宏或固定块/功能标准块。标准单元ASIC的掩模层是可定制的，允许设计人员在芯片上战略性地放置标准单元，从而实现高效的空间利用率和优化的性能，这种设计方法也称为C-BIC。

门阵列ASIC：门阵列ASIC是一种半定制ASIC，在硅片上具有预定义的晶体管，设计者不能改变晶体管的位置，但可以使用管芯的初始金属层改变它们之间的互连。该设计利用门阵列库进行配置，通常会产生沟道、无沟道或结构化门阵列，每种门阵列的互连方法各不相同。这种被称为掩模门阵列的方法依赖于基础阵列图案和基础单元进行电路设计。

通道化门阵列：利用逻辑单元之间的预定义布线通道进行布线连接，适用于需要灵活互连路径的标准化设计。

无通道门阵列：缺少预定义的布线通道，通过将互连直接放置在单元上，可以实现更紧凑的设计，从而提高芯片密度。

结构化门阵列：将预定义的逻辑块与可定制的互连层相结合，在设计灵活性和快速开发之间实现平衡。

3.可编程ASIC

可编程逻辑器件（PLD）：一种数字集成电路，可以编程以执行各种逻辑操作。它们在各种应用中用于实现定制逻辑电路，而不需要定制半导体制造。

FPGA：可重新编程，可用于各种应用。它们可以在制造后由用户根据不同需求进行配置。

专用集成电路（ASIC）设计流程

设计入口：在这个阶段，微架构是使用VHDL、Verilog和System Verilog等硬件描述语言开发的。

逻辑综合：这个阶段涉及创建一个网表，概述逻辑单元、它们的互连和其他必要的组件，所有这些都来自HDL代码。

系统分区：在这里，大芯片被划分为可管理的ASIC大小的部分，以实现更高效的设计和处理。

预布局模拟：在此阶段进行模拟，以识别和纠正设计中的任何错误。

布局规划：在此阶段，确定芯片上网表块的排列。

放置：这一步涉及确定每个块中单元格的确切位置。

路由：在此阶段，块和单元之间建立物理连接。

提取：这一阶段的重点是评估连接的电气特性，如电阻和电容。

布局后仿真：在设计交付制造之前，这一最终仿真测试了整个系统的功能，包括互连负载的影响。

ASIC的优点

高性能：ASIC是为特定应用而定制的，使其能够实现比通用集成电路更高的性能水平。  

低功耗：由于ASIC针对特定用途进行了优化，因此与执行相同任务的其他IC类型相比，它们通常消耗更少的功率。

更小的尺寸：ASIC可以将许多功能集成到一个小芯片中，从而减小设备的整体尺寸。

降低单位成本：虽然初始开发成本很高，但对于大规模生产来说，单位成本可以显著降低。

更高的安全性：定制使其他人更难对硬件进行逆向工程，从而提供了额外的安全层。

更少的组件：多功能的集成减少了所需的单独组件的数量，从而简化了结构并提高了可靠性。

ASIC的应用

ASIC的独特特性改变了电子制造业，导致芯片尺寸更小，每个芯片的逻辑栅极密度更大。ASIC芯片通常用于高级应用，在卫星中充当IP核，在ROM生产中至关重要，并用于微控制器以及广泛的医疗和研究应用。目前，ASIC技术最显著的用途之一是比特币挖矿。

ASIC与FPGA有何不同？

ASIC或专用集成电路是为特定任务定制设计的半导体芯片，因此不适合通用用途。这些电路一旦制造出来，就不能重新编程。相比之下，FPGA或现场可编程门阵列具有可编程硬件，允许灵活性和制造后的重新配置。这里有一个更好的比较：

总之，FPGA和ASIC之间的选择取决于具体的应用要求。FPGA因其适应性和快速部署而备受青睐，非常适合不断发展的环境、原型设计和需要灵活性的中型生产。相反，ASIC在效率方面表现出色，提供了优化的性能和较低的功耗，使其成为大批量、稳定应用的更好选择，在这些应用中，高初始成本可以通过大规模生产效益来抵消。使用FPGA还是ASIC的决定最终取决于所需的灵活性、性能需求、功耗和产量等因素。