Tipos de ASIC

Circuito integrado ASIC ou específico da aplicação

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Neste tutorial, veremos uma introdução básica ao ASIC, quais são os diferentes tipos de técnicas de design ASIC, o fluxo de design ASIC, aplicativos e muito mais.

Introdução

Em um sentido amplo, um circuito integrado específico da aplicação ou simplesmente um ASIC pode ser definido como um circuito integrado personalizado para uma aplicação ou uso final específico, em vez de usá-lo para fins gerais. Alguns exemplos básicos de ASICs são o IC em um DVD Player para decodificar as informações em um disco óptico ou em um IC projetado como um Controlador de carga para baterias de íon de lítio.

ASICs são bem diferentes de outros ICs padrão, como microprocessadores ou memórias, pois são projetados para serem usados ​​em uma ampla gama de aplicações. Por outro lado, um ASIC só pode ser usado no aplicativo para o qual foi especificamente projetado para execução.

Devido à natureza personalizada específica da aplicação dos ASICs, eles costumam ter mais funcionalidade, ao mesmo tempo em que são pequenos em tamanho, consumindo menos energia e dissipando menos calor quando comparados a uma solução IC padrão. A outra principal diferença entre ICs padrão como Memories, por exemplo, e ASICs é que o designer do ASIC pode ser diretamente o cliente, que pode ter uma idéia mais clara do aplicativo.

Desde o início dos anos 80, o mundo dos circuitos integrados tem sido altamente influenciado pelos ASICs. Eles são responsáveis ​​pela expansão da indústria de semicondutores, mudança no modelo de negócios dos circuitos integrados e aumento significativo nos projetos de IC e engenheiros de projeto.

Os ASICs também influenciaram todo o ecossistema do projeto e fabricação de semicondutores, como projeto de sistema, processo de fabricação e fabricação, teste e embalagem e as ferramentas CAD.

Uma Breve História dos ASICs

A origem dos ASICs pode ser rastreada até pelo menos 20 lágrimas antes do desenvolvimento da ROM mascarada (memória somente leitura). No início dos anos 70, o conceito de matrizes de portas e células padrão foi introduzido, mas durante os anos 80, a tecnologia ASIC ocupou um lugar de destaque no mercado de CI em todo o mundo.

É durante esse período que vários fabricantes e fornecedores de semicondutores, principalmente do Japão, dominaram o mercado ASIC e são considerados especialistas em ASIC.

Quais são os diferentes tipos de ASIC?

A história dos projetos e da tecnologia ASIC pode ser caracterizada pelo crescimento e evolução contínuos de vários estilos de design da ASIC. Estatisticamente falando, os ASICs de estilo de matriz de portas baseados em CMOS são o tipo dominante, mas existem vários outros tipos de projetos ASIC.

Basicamente, todos os ASICs podem ser classificados em três tipos. Eles são:

  • ASICs completos – personalizados
  • ASICs Semi – Personalizados
  • CIs programáveis

Os ASICs semi-personalizados são novamente divididos em projetos baseados em matriz de portas e projetos baseados em células. As matrizes de porta são divididas em matrizes canalizadas e sem canal, enquanto os projetos baseados em células são divididos em célula padrão e macrocélula.

Chegando aos CIs programáveis, todos os dispositivos lógicos programáveis ​​como PAL, PLA, PLD baseado em EPROM (EPLD), PLD baseado em EEPROM (EEPLD) e dispositivos programáveis ​​em campo como FPGA se enquadram nessa categoria.

A imagem a seguir mostra os diferentes tipos de ASIC e também as subcategorias em cada tipo.

Tipos de ASIC

Vamos agora ver brevemente alguns dos tipos importantes de ASICs.

ASIC totalmente personalizado

No ASIC totalmente personalizado, todas as células lógicas, circuitos e layouts são projetados especificamente para esse ASIC específico desde o início. O designer pode escolher um design ASIC totalmente personalizado apenas se considerar que as bibliotecas existentes não são rápidas o suficiente ou as células lógicas não são pequenas ou o consumo de energia é alto.

As principais vantagens dos ASICs personalizados em relação a outros designs de IC são que ele oferece o desempenho mais alto possível no menor tamanho possível de matriz. Mas esse alto desempenho e tamanho pequeno têm um preço de tempo de design aumentado, design complexo e custo geral do próprio IC.

Alguns dos ASIS customizados mais comuns são microprocessadores, memórias, processadores analógicos, dispositivos de comunicação analógica / digital, sensores, transdutores, ICs de alta tensão para automóveis, etc.

A seguir, é apresentado um exemplo de design de uma porta NAND de 2 entradas baseada em CMOS, em que cada camada é definida.

ASIC totalmente personalizado

Semi-Custom ASIC

Para reduzir o tempo de design e reduzir o custo de ASICs totalmente personalizados, várias outras abordagens de design foram desenvolvidas e são chamadas de projetos ASIC semi-personalizados. Geralmente, o nível mais baixo da hierarquia envolvido no design semi-personalizado é o nível lógico ou o nível do portão. Isso contrasta com o trabalho totalmente personalizado, onde o transistor individual de design e layout pode estar envolvido.

Como mencionado anteriormente, o design ASIS semi-personalizado pode ser dividido ainda mais em matrizes de porta e células padrão. Vamos ver um pouco sobre esses tipos.

Matriz de portão ASIC

Nos ASICs baseados em matriz de portas, os transistores dos tipos p e n são predefinidos em uma pastilha de silício como matrizes. Com base no projeto do cliente e nas interconexões obtidas no projeto, o fornecedor de silício fornece essas bolachas básicas. Portanto, a pastilha de base é específica para o cliente, pois é projetada com base nas conexões fornecidas pelo cliente entre os transistores da matriz de gateways.

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As matrizes de porta são novamente divididas em dois tipos chamados Matriz de porta canalizada e Matriz de porta sem canal. Em matrizes de portas canalizadas, as interconexões entre as células lógicas são realizadas dentro dos canais predefinidos entre as linhas das células lógicas. No caso de matrizes de porta sem canal, as conexões são feitas em uma camada superior de metal na parte superior das células lógicas.

Matriz de porta com canal e sem canal

ASIC padrão baseado em célula

Um ASIC baseado em célula padrão usa células lógicas predefinidas como Gates, Multiplexers, flip-flops, Adders etc. Essas células lógicas são conhecidas como células padrão que já foram projetadas e armazenadas em uma biblioteca. Essa biblioteca é importada para a ferramenta CAD e o design pode ser executado usando os componentes da biblioteca como entradas.

Normalmente, os projetos baseados em células padrão são organizados como linhas de células de altura constante no chip, assim como uma linha de tijolos. Quando combinados com componentes de nível lógico, os projetos baseados em células padrão podem ser usados ​​para implementar funções complexas, como multiplicadores e matrizes de memória.

Design de Célula Padrão

O design de célula padrão também pode conter células pré-projetadas maiores e mais complexas, como microcontroladores ou microprocessadores. Essas células maiores são chamadas megacélulas.

Design Flow

Até agora, você viu uma breve introdução ao ASIC e também alguns tipos importantes de ASICs. Nesta seção, vamos tentar entender brevemente o fluxo do processo e os procedimentos específicos envolvidos no projeto e desenvolvimento de um ASIC.

A imagem a seguir mostra um fluxo de design típico envolvido na criação de um ASIC semicustomizado. Pode ser basicamente dividido em 10 etapas.

Fluxo de Projeto ASIC

  • Entrada do projeto: Na etapa, o design lógico é criado usando uma linguagem de descrição de hardware (HDL) como VHDL ou Verilog ou com a ajuda da entrada Schematic.
  • Síntese Lógica: Depois que a lógica é projetada usando a entrada HDL ou esquemática, o próximo passo é extrair a descrição das células lógicas e suas interconexões. Esta informação também é chamada como Netlist.
  • Particionamento do sistema: O próximo passo é dividir logicamente todo o sistema em pequenos blocos de tamanho ASIC.
  • Simulação pré-layout: Antes de entrar no layout físico real do projeto, uma ferramenta de simulação verifica se o circuito está funcionando corretamente. De fato, esse processo é executado em todas as etapas para que, se algum erro for encontrado, seria fácil corrigi-lo nesse estágio. O processo até esta etapa é geralmente considerado como Design Lógico. As etapas a seguir estão relacionadas ao layout físico real do design.
  • Planejamento de piso: O primeiro passo no projeto físico é organizar todos os blocos do circuito no chip.
  • Posicionamento: Nesta etapa, o local das células lógicas em um bloco é definido.
  • Encaminhamento: Depois de concluída a colocação dos blocos e células, é hora de criar as conexões entre as células e os blocos.
  • Extração: O próximo passo é determinar a resistência e a capacitância das interconexões feitas anteriormente, pois elas decidem o atraso do sinal. Além disso, os atrasos são calculados nesta fase.
  • Simulação pós-layout: Uma vez concluído o projeto físico, o circuito é testado novamente para funcionar. Os atrasos calculados anteriormente também são levados em consideração no processo de simulação.
  • Design Rule Check (DRC): A etapa final é verificar o layout de todo o circuito e verificar se ele está em conformidade com as especificações da regra de design.

Formulários

A área de aplicações dos ASICs é muito ampla, pois são basicamente usados ​​em todos os lugares onde há necessidade de desempenho, personalização e tamanho. Algumas das categorias comuns de aplicação são mencionadas abaixo.

  • Sensores e transdutores
  • Componentes automotivos e aviônicos
  • Processadores de comunicação por satélite, radar e relacionados
  • Microprocessadores, Memórias, Microcontroladores
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