Кіріспе
Нақты бір міндетке арналған интегралды схема (ASIC) – белгілі бір қолданыс үшін жасалған интегралды схема (IC) чипі, жалпы мақсатта қолдануға арналмаған. Мысалы, цифрлық дауыс жазу құрылымында немесе жоғары тиімді бейне кодегінде жұмыс істеуге арналған чип. Қолданбаға арналған стандартты өнім чиптері ASIC пен 7400 немесе 4000 сериясы сияқты өнеркәсіптік стандартты интегралдық схемалардың арасындағы кезеңдік нүкте болып табылады. ASIC чиптері әдетте металл-оксид-жартылайөткізгіш (MOS) технологиясын қолдана отырып, MOS интегралды схема чиптері ретінде жасалады.
An application specific integrated circuit (ASIC '/eɪ//s//ɪ//k/) is an integrated circuit (IC) chip customized for a particular use, rather than intended for general purpose use, such as a chip designed to run in a digital voice recorder or a high efficiency video codec. Application specific standard product chips are intermediate between ASICs and industry standard integrated circuits like the 7400 series or the 4000 series. ASIC chips are typically fabricated using metal–oxide–semiconductor (MOS) technology, as MOS integrated circuit chips.
Тарих
Алғашқы ASIC-тер қақпалы массив технологиясын қолданды. 1967 жылы Ferranti және Interdesign компаниялары ерте биполярлы қақпалар массивтерін өндірді. 1967 жылы Fairchild Semiconductor компаниясы биполярлы диодты-транзисторлы логикалық (DTL) және транзисторлы-транзисторлы логикалық (TTL) массивтердің Micromatrix отбасын ұсынды. Толықтырылған металл-оксидтің жартылай өткізгіш (CMOS) технологиясы қақпа массивтерін кеңінен коммерцияландыруға мүмкіндік берді. Алғашқы CMOS қақпа массивтерін Роберт Липп 1974 жылы International Microcircuits, Inc. (IMI) үшін жасады. Кез келген ASIC өндірушісі белгілі электрлік сипаттамалары бар функционалдық блоктарды – таралудың кешігуі, сыйымдылығы және индуктивтілігі сияқты – құра алатын, олар үшінші тарап құралдарында да қолданылуы мүмкін. Стандартты жасуша дизайны – бұл функционалдық блоктарды пайдаланып өте жоғары қақпа тығыздығына және жақсы электрлік көрсеткіштерге қол жеткізу. Стандартты жасуша дизайны қайталанбайтын инженерлік және қайталанатын компоненттік шығындар, сондай-ақ өнімділік және даму жылдамдығы (базарға шығу уақытын қоса алғанда) тұрғысынан аралық жағдайды қамтиды. 1990 жылдардың соңында логикалық синтез құралдары қолжетімді болды. Мұндай құралдар HDL сипаттамаларын қақпа деңгейіндегі тізімге түрлендіре алады. Стандартты жасушалық интегралдық схемалар (IC) электроникалық жобалау ағыны деп аталатын келесі концептуалдық кезеңдерде жобаланады, бірақ бұл кезеңдер практикада бір-бірімен көптеп қабаттасады:
* Талаптарды жасау: Жобалау инженерлерінің тобы жаңа ASIC үшін қажетті функцияларды бейресми түсінуден бастайды, әдетте талаптарды талдау нәтижесінде.
* Тізімдік деңгейде (RTL) жобалау: Жобалау тобы аппараттық сипаттама тілін қолдана отырып, осы мақсаттарға жету үшін ASIC сипаттамасын жасайды. Бұл процесс жоғары деңгейдегі тілмен компьютерлік бағдарлама жазуға ұқсас.
* Функционалдық тексеру: Мақсатқа сай келу функционалдық тексеру арқылы расталады. Бұл сынақ стендтері арқылы логикалық модельдеу, формалды тексеру, эмуляция немесе Simics сияқты баламалы таза бағдарламалық модельді жасау және бағалау сияқты техникаларды қамтуы мүмкін. Әрбір тексеру әдісінің артықшылықтары мен кемшіліктері бар, және көбінесе бірнеше әдістер ASIC тексеру үшін бірге қолданылады. Көптеген FPGA-лардан айырмашылығы, ASIC-тер өндірілгеннен кейін қайта бағдарламалана алмайды, сондықтан толыққанды дұрыс емес ASIC дизайны әлдеқайда қымбатқа түседі, бұл толық сынақ жабуды қажет етеді.
* Логикалық синтез: Логикалық синтез RTL дизайнын стандартты жасушалар деп аталатын төменгі деңгейдегі құрылымдардан тұратын үлкен жиынтыққа түрлендіреді. Бұл құрылымдар белгілі бір функцияларды орындайтын логикалық қақпалардың алдын ала сипатталған жинақтарынан тұратын стандартты жасушалар кітапханасынан алынған. Стандартты жасушалар әдетте ASIC-тің жоспарланған өндірушісіне тән. Стандартты жасушалардың жиынтығы және олардың арасындағы қажетті электрлік байланыстар қақпа деңгейіндегі тізім деп аталады.
* Орналастыру: Қақпа деңгейіндегі тізімді келесі кезекте стандартты жасушаларды соңғы ASIC-ті бейнелейтін интегралдық схема өлшеміне орналастыратын орналастыру құралы өңдейді. Орналастыру құралы әр түрлі белгіленген шектеулерге байланысты стандартты жасушалардың оңтайлы орналасуын табуға тырысады.
* Бағыттау: Электрондық бағыттау құралы стандартты жасушалардың физикалық орналасуын алады және олардың арасындағы электрлік байланыстарды құру үшін тізімді пайдаланады. Іздеу кеңістігі үлкен болғандықтан, бұл процесс «жаһандық оңтайлылық» емес, «жетілдірілген» шешімді береді. Нәтижесі – жартылай өткізгіш өндіріс орнына, әдетте «fab» немесе «құю» деп аталатын, физикалық интегралдық схемаларды жасауға мүмкіндік беретін фотомаскалар жиынтығын құру үшін пайдаланылатын файл.
* Орналастыру және бағыттау бір-бірімен тығыз байланысты және электронды жобалауда орын және бағыт деп аталады.
* Белгілеу: Ақырғы орналасуды ескере отырып, контурды алу паразиттік кедергілер мен сыйымдылықтарды есептейді. Цифрлық схема жағдайында бұл кейіннен схеманың өнімділігін бағалауға болатын кідіру туралы ақпаратқа көшіріледі, әдетте статикалық уақыт талдауы арқылы. Бұл және басқа да соңғы сынақтар, мысалы, жобалау ережесін тексеру және қуатты талдау, бірлесіп «белгілеу» деп аталады, құрылғының барлық процесс, кернеу және температура шектерінде дұрыс жұмыс істейтінін қамтамасыз етуді мақсат етеді. Осы сынақ аяқталғаннан кейін фотомаска ақпараты чип өндірісі үшін жіберіледі. Өндіріс саласында кең таралған біліктілік деңгейінде орындалған бұл қадамдар көбінесе бастапқы жобаны дұрыс іске асыратын соңғы құрылғыны қамтамасыз етеді, егер физикалық өндіріс процесінде кейінірек ақаулар туындамаса. Стандартты өнімді жобалауға да ортақ болатын бұл жобалау қадамдарына «жобалау ағыны» деп те айтылады. Маңызды айырмашылық – стандартты жасуша дизайны өндірушінің кітапханаларын пайдаланады, олар әлеуетті жүздей басқа жобаларда қолданылған және сондықтан толыққанды тапсырыс бойынша жасалғаннан гөрі тәуекел деңгейі төмен. Стандартты жасушалар шығындарды тиімді етуге мүмкіндік беретін жоба тығыздығын қамтамасыз етеді, сондай-ақ IP ядроларын және статикалық кездейсоқ жадты (SRAM) тиімді интеграциялай алады, қақпа массивтерінен айырмашылығы.
Requirements engineering: A team of design engineers starts with a non formal understanding of the required functions for a new ASIC, usually derived from requirements analysis. Register transfer level (RTL) design: The design team constructs a description of an ASIC to achieve these goals using a hardware description language. This process is similar to writing a computer program in a high level language. Functional verification: Suitability for purpose is verified by functional verification. This may include such techniques as logic simulation through test benches, formal verification, emulation, or creating and evaluating an equivalent pure software model, as in Simics. Each verification technique has advantages and disadvantages, and most often several methods are used together for ASIC verification. Unlike most FPGAs, ASICs cannot be reprogrammed once fabricated and therefore ASIC designs that are not completely correct are much more costly, increasing the need for full test coverage. Logic synthesis: Logic synthesis transforms the RTL design into a large collection called of lower level constructs called standard cells. These constructs are taken from a standard cell library consisting of pre characterized collections of logic gates performing specific functions. The standard cells are typically specific to the planned manufacturer of the ASIC. The resulting collection of standard cells and the needed electrical connections between them is called a gate level netlist. Placement: The gate level netlist is next processed by a placement tool which places the standard cells onto a region of an integrated circuit die representing the final ASIC. The placement tool attempts to find an optimized placement of the standard cells, subject to a variety of specified constraints. Routing: An electronics routing tool takes the physical placement of the standard cells and uses the netlist to create the electrical connections between them. Since the search space is large, this process will produce a "sufficient" rather than "globally optimal" solution. The output is a file which can be used to create a set of photomasks enabling a semiconductor fabrication facility, commonly called a 'fab' or 'foundry' to manufacture physical integrated circuits. Placement and routing are closely interrelated and are collectively called place and route in electronics design. Sign off: Given the final layout, circuit extraction computes the parasitic resistances and capacitances. In the case of a digital circuit, this will then be further mapped into delay information from which the circuit performance can be estimated, usually by static timing analysis. This, and other final tests such as design rule checking and power analysis collectively called signoff are intended to ensure that the device will function correctly over all extremes of the process, voltage and temperature. When this testing is complete the photomask information is released for chip fabrication. These steps, implemented with a level of skill common in the industry, almost always produce a final device that correctly implements the original design, unless flaws are later introduced by the physical fabrication process. The design steps also called design flow, are also common to standard product design. The significant difference is that standard cell design uses the manufacturer's cell libraries that have been used in potentially hundreds of other design implementations and therefore are of much lower risk than a full custom design. Standard cells produce a design density that is cost effective, and they can also integrate IP cores and static random access memory (SRAM) effectively, unlike gate arrays.
Қақпа массиві және жартылай бейімделген дизайн
Гейт-массив дизайны – диффузиялық қабаттардың, әрқайсысы транзисторлар мен басқа да активті құрылғылардан тұратыны, алдын ала анықталатын және мұндай құрылғыларды қамтитын электрондық пластиналардың "қоймада сақталынатын" немесе металдандыру кезеңіне дейін қосылмаған өндіріс әдісі. Физикалық жобалау процесі осы қабаттардың өзара байланысын соңғы құрылғы үшін анықтайды. Көптеген ASIC өндірушілері үшін бұл екіден тоғызға дейінгі металл қабаттарынан тұрады, әр қабат астындағы қабатқа перпендикуляр орналасады. Бір реттік инженерлік шығындар толықтай бейімделген жобаларға қарағанда әлдеқайда төмен, себебі фотолитографиялық маскалар тек металл қабаттары үшін ғана қажет. Өндіріс циклы қысқа, себебі металдандыру салыстырмалы түрде жылдам процесс, бұл нарыққа шығу уақытын үдетеді. Гейт-массив ASIC әрқашан жылдам жобалау мен өнімділік арасындағы компромисс болып табылады, өйткені берілген жобаны өндірушінің қоймасындағы пластинаға бейімдеу 100% тізбекті пайдалануды қамтамасыз етпейді. Көбінесе өзара байланысты маршруттау қиындықтары үлкен массивтік құрылғыға көшуді талап етеді, соның салдарынан бөліктің құны артады. Бұл қиындықтар көбінесе өзара байланысты жасау үшін қолданылатын EDA бағдарламалық жасақтамасының нәтижесі болып табылады. Бүгінгі таңда схема дизайнерлері таза, тек логикалық гейт-массив дизайнын сирек қолданады, олардың орнына толығымен бағдарламаланатын құрылғылар қолданылады. Мұндай құрылғылардың ең танымалдары – пайдаланушы бағдарламалай алатын далалық бағдарламаланатын гейт-массивтері (FPGA), олар құралдарды пайдалану шығындарын азайтуға, қайталанбайтын инженерияны төмендетуге, бөліктің құнын аздап арттыруға және салыстырмалы өнімділікті ұсынуға мүмкіндік береді. Қазіргі уақытта гейт-массивтер құрылымдалған ASIC-ке айналуда, олар процессор, цифрлық сигналды өңдеу бірліктері, перифериялық құрылғылар, стандартты интерфейстер, жад, SRAM және қайта конфигурацияланатын, бекітілмеген логика блогы сияқты үлкен IP ядросынан тұрады. Бұл өзгерістің себебі ASIC құрылғылары жүйелік функционалдықтың үлкен блоктарын біріктіре алуында, ал чиптегі жүйелерге (SoC) функционалдық бірліктер мен негізгі өзара байланыстар ғана емес, сонымен қатар байланыс логикасы, коммуникациялық жүйелер (мысалы, чиптегі желілер), перифериялық құрылғылар және басқа да компоненттер қажет. Олардың жиі қолданылуында "гейт-массив" және "жартылай бейімделген" терминдері ASIC-ке қатысты синоним ретінде қолданылады. Процесс инженерлері көбінесе "жартылай бейімделген" терминін пайдаланса, "гейт-массив" термині логикалық (немесе гейт деңгейі) дизайнерлері арасында кеңінен таралған.
Толық бейімделген дизайн
Керісінше, толық бейімделген ASIC дизайны құрылғының барлық фотолитографиялық қабаттарын анықтайды. Бұл қақпа массивімен бірдей анықтама болып табылады. Құрылымдық ASIC-ті қақпа массивінен ерекшелендіретін нәрсе – қақпа массивінде алдын ала белгіленген металл қабаттар өндіріс айналымын жылдамдатуға қызмет етеді. Ал құрылымдық ASIC-де алдын ала белгіленген металдандыруды қолдану, ең алдымен, маска жиынтықтарының құнын төмендетуге, сондай-ақ жобалау циклының уақытын едәуір қысқартуға бағытталған. Мысалы, ұяшық негізіндегі немесе қақпа массиві дизайнында пайдаланушы көбінесе қуат, синхронизация және сынақ құрылымдарын өзі жобалауға мәжбүр. Керісінше, мұндай құрылымдар көптеген құрылымдық ASIC-терде алдын ала анықталған, демек, дизайнерге қақпа массивіне негізделген жобалармен салыстырғанда уақыт пен шығындарды үнемдеуге мүмкіндік береді. Сондай-ақ, құрылымдық ASIC үшін қолданылатын жобалау құралдары ұяшықтық құралдарға қарағанда әлдеқайда арзан және пайдалануға оңай (жылдам) болуы мүмкін, себебі олар ұяшықтық құралдардың барлық функцияларын орындауға міндетті емес. Кейбір жағдайларда құрылымдық ASIC өндірушісі өз құрылғысы үшін арнайы құралдарды (мысалы, арнайы физикалық синтез) пайдалануды талап етеді, бұл дизайнды өндіріске тез әкелуге де мүмкіндік береді.
Ұяшықтар кітапханалары, IP-ге негізделген дизайн, қатты және жұмсақ макростар
Логикалық примитивтердің жасушалық кітапханаларын құрылғы өндірушісі әдетте қызмет бөлігі ретінде ұсынады. Олар қосымша шығынға түспесе де, оларды тарату құпиялылық туралы келісім (NDA) шарттарымен реттеледі және өндіруші оларды интеллектуалдық меншік деп санайды. Әдетте, олардың физикалық дизайны алдын ала анықталады, сондықтан оларды «қатты макрос» деп атауға болады. Көптеген инженерлер «интеллектуалдық меншік» терминімен IP ядроларын – үлкен ASIC-тің құрамдас бөліктері ретінде үшінші тараптан сатып алынған жобаларды – байланыстырады. Олар аппараттық сипаттама тілі түрінде (жиі «жұмсақ макрос» деп аталады) немесе ASIC маскасына тікелей жазылатын толық маршрутизацияланған жоба түрінде (жиі «қатты макрос» деп аталады) ұсынылуы мүмкін. Көптеген ұйымдар қазір мұндай алдын ала жасалған ядроларды – CPU, Ethernet, USB немесе телефон интерфейстерін – сатады, ал ірі ұйымдарда ұйымның қалған бөлігі үшін ядроларды жасауға арналған бөлім немесе басқарма болуы мүмкін. ARM компаниясы тек IP ядроларын сатады, бұл оны өндіріспен айналыспайтын (fabless) өндіруші етеді. Шындығында, 1990 жылдардың соңы мен 2000 жылдардың басында электрониканың үлкен жетістіктерінің нәтижесінде құрылымдық ASIC жобалауда қол жетімді функциялардың кең ауқымы пайда болды. Ядроны жасау көп уақыт пен инвестиция талап етеді, сондықтан оны қайта пайдалану және одан әрі дамыту өнімнің өмірлік циклын қысқартады және жақсы өнімдерді құруға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, OpenCores сияқты ашық кодты аппараттық ұйымдар, ашық кодты бағдарламалық жасақтама қозғалысына ұқсас, тегін IP ядроларын жинақтайды. Жұмсақ макростар көбінесе өндіріс процесіне тәуелсіз (яғни, оларды әртүрлі өндіріс процестерінде және әртүрлі өндірушілерде жасауға болады). Қатты макростар өндіріс процесімен шектеледі және әдетте басқа өндіріс процесіне немесе өндірушіге көшіру (порттау) үшін қосымша жобалау жұмыстары қажет.
Көп жобалы пластинкалар
Кейбір өндірушілер мен интегралды схемалар (IC) жобалайтын компаниялар төмен құнмен прототиптер алу үшін көп жобалы пластинка қызметін (MPW) ұсынады. Көбінесе "шатл" деп аталатын бұл MPW бірнеше жобадан тұрады және "кесіп алып жүру" принципі бойынша белгілі бір уақыт аралығымен жүзеге асырылады, әдетте өндірушінің жауапкершілігі шектеулі болады. Шарт жалаңаш кристаллдарды (die) жеткізуді немесе бірнеше құрылғыны құрастырып, қаптауды қамтиды. Қызмет көбінесе физикалық жобалау дерекқорын (яғни, маскалау туралы ақпаратты немесе үлгі жасау (PG) таспасын) ұсынуды қамтиды. Өндіруші процеске қатысуы аз болғандықтан "силикон құю фабрикасы" деп аталады.
Қолданбаға арналған стандартты өнім
Қолданбаға арналған стандартты өнім немесе ASSP – кең нарыққа сұраныс тудыратын нақты функцияны іске асыратын интегралдық схема. Функциялар жиынтығын біріктіретін және бір клиент үшін немесе бір клиентпен жобаланатын ASIC-терден өзгеше, ASSP-лер тікелей сатуға қолжетімді компоненттер болып табылады. ASSP-лер автокөліктен бастап байланыс саласына дейін, барлық салаларда қолданылады. Жалпы ереже бойынша, егер сіз деректер жинағынан жобаны таба алсаңыз, онда ол, әдетте, ASIC емес, бірақ кейбір ерекшеліктер болуы мүмкін. Мысалы, ПК контроллері және модем чипі – ASIC деп есептелуі немесе есептелмеуі мүмкін екі IC. Бұл мысалдардың екеуі де нақты қолданбаға арналған (ASIC-ке тән), бірақ көптеген жүйелік өндірушілерге сатылады (стандарттық бөлшектерге тән). Мұндай ASIC-тер кейде қолданбаға арналған стандартты өнімдер (ASSP) деп аталады. ASSP-лердің мысалдары: кодтау/декодтау чипі, Ethernet желілік интерфейсі контроллері және т.б.