每個人都應該熟悉「積體電路」（IC）這個術語，它是現代電子設備的基本組件。IC 有各種不同類型和配置，可滿足廣泛的應用需求。廣義而言，這些電路可分為兩類：為特定應用設計的電路和可重新編程用於各種目的的電路。在本部落格中，我們將深入探討特定應用積體電路（ASIC），這是一種針對特定用途量身定制的 IC，重點介紹其設計、優點和應用領域。
什麼是 ASIC 晶片（特定應用積體電路）？
ASIC 是一種專為特定應用或用途設計和定制的積體電路。與可用於各種設備的通用積體電路不同，它們通常是根據預期應用的特定需求從頭開始創建的。例如玩具中的晶片或用於記憶體和微處理器介面的晶片。
ASIC 的類型
1. 全客製化 ASIC (Full Custom ASICs)
這些 ASIC 是為特定應用從頭開始設計的。晶片的每個方面，從邏輯閘到電路佈局，都是為了滿足預期應用的精確要求而客製化。全客製化 ASIC 提供最高的性能和最低的功耗，但它們的設計和製造成本也最高且最耗時。它們通常用於生產量足夠高或性能要求足夠嚴格的應用，以證明額外的成本和精力是合理的。
2. 半客製化 ASIC (Semi-Custom ASICs)
半客製化 ASIC，包括標準單元 ASIC 和閘陣列 ASIC，在客製化和成本之間取得了平衡。
- 標準單元 ASIC：在基於標準單元的 ASIC 設計中，標準單元庫包含預先設計的邏輯單元，如 AND 閘、OR 閘、多工器和正反器。這些單元已標準化並儲存起來用於 ASIC 晶片設計。ASIC 晶片通常包含一個標準單元區域或彈性區塊，由這些排列成行的單元組成，也可能包含微控制器或微處理器等大型單元，這些單元被稱為大型功能、系統級巨集或固定區塊/功能標準區塊。標準單元 ASIC 的遮罩層可自訂，設計師可以策略性地將標準單元放置在晶片上，從而實現高效的空間利用和優化的性能，這種設計方法也稱為 C-BIC。
- 閘陣列 ASIC：閘陣列 ASIC 是一種半客製化 ASIC，在矽晶圓上預先定義了電晶體，設計師無法改變電晶體的位置，但可以使用晶片的初始金屬層改變它們之間的互連。該設計利用閘陣列庫進行配置，通常會產生通道式、無通道式或結構化閘陣列，每種閘陣列在互連方式上有所不同。這種方法稱為遮罩式閘陣列，依賴於基礎陣列圖案和基礎單元進行電路設計。
- 通道式閘陣列：利用邏輯單元之間預定義的路由通道進行線路連接，適用於需要彈性互連路徑的標準化設計。
- 無通道式閘陣列：沒有預定義的路由通道，允許將互連直接放置在單元上，從而實現更緊湊的設計，提高晶片密度。
- 結構化閘陣列：將預定義的邏輯區塊與可自訂的互連層結合，在設計彈性和快速開發之間取得平衡。
3. 可程式化 ASIC (Programmable ASICs)
- 可程式邏輯裝置（PLD）：一種可程式設計以執行各種邏輯操作的數位積體電路。它們用於各種應用中，無需客製化半導體製造即可實現客製化邏輯電路。
- FPGA：可重複編程，可用於各種應用。使用者可在製造後根據不同需求進行配置。
特定應用積體電路（ASIC）設計流程
設計輸入：在此階段，微架構使用 VHDL、Verilog 和 System Verilog 等硬體描述語言進行開發。
邏輯合成：此階段涉及創建一個網表，其中概述了邏輯單元、它們的互連以及其他必要的組件，所有這些都源自 HDL 代碼。
系統分割：在此，大的晶片被分割成可管理的 ASIC 大小部分，以實現更有效的設計和處理。
佈局前模擬：在此階段進行模擬，以識別和糾正設計中的任何錯誤。
樓層規劃：在此階段，確定晶片上網表區塊的佈置。
佈局：此步驟涉及確定每個區塊內單元的確切位置。
佈線：在此階段，建立區塊和單元之間的物理連接。
提取：此階段的重點是評估連接的電氣特性，例如電阻和電容。
佈局後模擬：此最終模擬在設計送去製造之前測試整個系統的功能，包括互連負載的影響。
ASIC 的優勢
- 高效能：ASIC 專為特定應用客製化設計，使其能夠實現比通用積體電路更高的性能水準。
- 較低功耗：由於 ASIC 針對特定用途進行了最佳化，因此與執行相同任務的其他 IC 類型相比，它們通常消耗更少的電力。
- 更小的尺寸：ASIC 可以將許多功能整合到一個小晶片中，從而縮小設備的整體尺寸。
- 降低單位成本：雖然初始開發成本很高，但對於大規模生產來說，單位成本可以顯著降低。
- 更高的安全性：客製化使得其他人更難對硬體進行逆向工程，提供額外的安全層。
- 更少組件：多功能整合減少了所需獨立組件的數量，從而簡化了結構並提高了可靠性。
ASIC 的應用
ASIC 的獨特特性改變了電子製造，導致更小的晶粒尺寸和每個晶片的邏輯閘密度更高。ASIC 晶片通常用於先進應用，作為衛星中的 IP 核心，在 ROM 生產中至關重要，並應用於微控制器，以及廣泛的醫療和研究應用。目前，ASIC 技術最顯著的用途之一是比特幣挖礦。
ASIC 與 FPGA 有何不同？
ASIC（特定應用積體電路）是專為特定任務客製化設計的半導體晶片，不適用於通用用途。這些電路一旦製造完成，就無法重新編程。相較之下，FPGA（現場可程式閘陣列）具有可程式化的硬體，提供彈性並可在製造後重新配置。以下是更詳細的比較：
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特點 |
FPGA |
ASIC |
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彈性 |
高（可重複編程） |
低（不可重複編程） |
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效能 |
低於 ASIC |
特定任務下效能更高 |
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功耗 |
高於 ASIC |
低（針對效率優化） |
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開發成本 |
低（無非重複工程成本） |
高（高非重複工程成本） |
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單位生產成本 |
高於 ASIC |
低（針對效率優化） |
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上市時間 |
較短（可重複編程，適應性強） |
較長（由於設計和製造） |
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可重複編程性 |
是（可在生產後更改演算法） |
否（固定設計） |
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適用生產週期 |
中小規模 |
大批量（以抵銷非重複工程成本） |
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設計週期 |
較短 |
較長 |
總之，FPGA 和 ASIC 的選擇取決於特定的應用需求。FPGA 因其適應性和快速部署而受到青睞，非常適合不斷變化的環境、原型設計和需要彈性的中等規模生產。相反，ASIC 在效率方面表現出色，提供優化的性能和較低的功耗，使其成為高產量、穩定應用的更好選擇，在這種情況下，高昂的初始成本可以通過大規模生產效益來抵消。使用 FPGA 還是 ASIC 的決定最終取決於靈活性、性能需求、功耗和生產量等因素。
常見問題
- 什麼是 ASIC？
ASIC 是專為特定應用或用途設計和定制的積體電路。 - ASIC 有哪些類型？
全客製化 ASIC、半客製化 ASIC 和可程式化 ASIC。 -
什麼是閘陣列 ASIC？
閘陣列 ASIC 是一種半客製化 ASIC，在矽晶圓上預定義了電晶體，設計者無法改變電晶體的位置，但可以使用晶片的初始金屬層改變它們之間的互連。
- 什麼是可程式化 ASIC？
可程式化 ASIC 的一種是 FPGA。 - 什麼是 FPGA？
FPGA（現場可程式閘陣列）具有可程式化的硬體，提供彈性並可在製造後重新配置。 - ASIC 有哪些優點？
高效能、較低功耗、更小的尺寸、降低單位成本、更高的安全性和更少的組件。
選擇使用 FPGA 還是 ASIC，最終取決於所需的靈活性、效能需求、功耗和生產量等因素。