Zákaznický integrovaný obvod

kryptoměn se mohou použít i takzvané ASIC minery přímo navržené pro tento účel (na obrázku je Bitmain Antminer S9) ASIC , nazývaný i zákaznický integrovaný obvod, je integrovaný obvod navržený a vyráběný pro určitou specifickou aplikaci.

I když v širším slova smyslu může pojem zákaznický integrovaný obvod zahrnovat i programovatelné obvody - například FPGA, CPLD a mikrokontroléry - naprogramované konkrétním firmwarem pro danou aplikaci, v praxi se pojem ASIC používá jen pro integrované obvody navržené a vyráběné speciálně pro konkrétní použití.

ASIC jsou většinou čistě digitální obvody ve standardní křemíkové CMOS technologii, někdy se však navrhují i smíšené ASIC obvody obsahující digitální i analogové obvody a využívají se zvláštní technologie jako jsou např. obvody na bázi GaAs.

ASIC se nejčastěji používají tam, kde jde o hromadnou výrobu obrovských sérií (milióny) stejných výrobků, tj. ve spotřební elektronice (mobilní telefony), někdy i v průmyslové elektronice a v telekomunikacích. +more Zvláštní skupinu použití ASIC tvoří unikátní aplikace (výzkum, měřicí přístroje atd. ), kde by požadovaných parametrů nebylo možné dosáhnout jinou technologií, např. sestavením obvodu z diskrétních prvků - diskrétních (elektronických) součástek.

Návrh

Na návrh ASIC se používají stejné metody jako na návrh jiných integrovaných obvodů. Nejdříve se CAD prostředky navrhne samotný elektrický obvod a odsimuluje se jeho činnost, případně se postaví prototyp z diskrétních součástek. +more Potom se za pomoci počítačových „překládacích“ prostředků převede návrh na rozložení jednotlivých prvků (hlavně tranzistorů) a jejich propojení na samotném čipu (layout). Někdy následuje další simulace, hlavně kvůli časovaní kritických částí obvodu. Potom se obvod zadá do výroby, která trvá několik týdnů. Vyrobené prototypy se proměřují a je ověřována jejich správná funkce.

Návrhu ASIC může předcházet fáze prototypování, která je realizována přes FPGA nebo CPLD, případně RISC. Teprve dojde-li k validaci prototypu, zpravidla obchodní odezvy, přistoupí se k návrhu konkrétního ASIC obvodu.

Zjednodušující metodiky

Metoda standardních buněk

Při této metodě se nenavrhuje ASIC od úrovně tranzistorů, ale využívá se knihovna hotových obvodových prvků, např. hradla, klopné obvody, vstupní a výstupní obvody atd. +more Výsledný obvod se pak skládá z takovýchto buněk. Tím se zjednodušuje návrh rozložení (layout) obvodu a je snazší otestovat správné časování, když se v simulaci pracuje už jen s buňkami jako celkem a ne s jednotlivými prvky (tranzistory).

Hradlová pole

Tato metoda využívá už navržené rozložení základních logických buněk (hradel, klopných obvodů), a samotný návrh sestává z definovaní jejich vzájemného propojení. I když tento přístup je v určitém směru omezující a využije se jen část předpřipravených buněk, překvapivě je levnější alternativou než standardní návrh. +more Je to proto, že je možné předem hromadně vyrobit wafery s čipy obsahující hradlové pole bez propojení, a zákaznicky se vytvoří jen poslední metalizační vrstva, kterou se určí propojení.

Funkční bloky

V mnoha ASIC se používají velké funkční bloky, které mají poměrně složitou funkci, např. zabudovaný mikrokontrolér nebo DSP, paměť RAM nebo ROM, UART, řadič Ethernet apod. +more Tyto bloky jsou nabízeny jako celky (v podobě „syntetizovatelného“ předpisu) mnohými menšími firmami a společně jsou označované jako Intellectual Property (IP) (všeobecný pojem, který má však v tomto kontextu výše uvedený konkrétní význam).

Porovnání s alternativními možnostmi

I když se často pokládá za příčinu použití ASIC jejich rychlost, ve skutečnosti je rychlost, s jakou se logické operace provádějí, podstatná jen v některých aplikacích. Rozhodujícím faktorem je hospodárnost výroby, a ta se v miliónových množstvích někdy projevuje nečekaným způsobem. +more Někdy se vyplatí zaintegrovat několik poměrně běžných obvodů do jednoho, jenom aby se ušetřila plocha desky plošných spojů a počet osazovaných obvodů. Někdy je dokonce výhodné podstoupit komplikace například při integraci analogových a digitálních obvodů, aby se dosáhlo jednočipové řešení. ASIC mají velmi vysoké fixní (jednorázové) náklady. Příprava výroby (jedna sada masek) stojí v závislosti na technologii několik set tisíc dolarů, návrhové a testovací prostředky stojí další statisíce až milióny, a nezanedbatelné jsou i mzdové náklady na vysoce kvalifikované návrháře. Samotné výrobní náklady jednotlivých čipů jsou naopak velmi nízké (i když se v závislosti na použité technologii, velikosti čipu a druhu pouzdra mohou pohybovat v rozmezí několika řádů), takže když se fixní náklady „rozpustí“ ve velkém množství čipů, výsledná cena za kus může být velmi příznivá.

V mnoha aplikacích, pokud se týká rychlosti a hustoty integrace, mají FPGA a CPLD potenciál nahradit ASIC. Oproti ASIC však mají typicky vyšší spotřebu při stejné funkci, což u větších obvodů přináší i problémy s chlazením. +more Fixní náklady jsou menší o přípravu sady masek a návrhové prostředky bývají též o něco lacinější, ale cena jednotlivých čipů je poměrně vysoká a k ní je třeba přičíst i náklady na programování a značení. FPGA a CPLD však mají obrovskou výhodu v možnosti provádět vývoj a testování přímo na finálním hardwaru, navíc i v případě proniknutí chyby do již prodávaného produktu je ještě možnost nápravy (i když rozhodně není laciná) přeprogramovaním v provozu. Zajímavou možností je i možnost konverze návrhu v FPGA do ASIC, kterou kromě výrobců FPGA nabízejí i nezávislé společnosti. To umožňuje spojit výhody FPGA v malosériové výrobě s výhodou ASIC pro velké série, pokud se ukáže, že produkt úspěšný, a návrh je už stabilní.

Mikrokontroléry a DSP nepředstavují přímou konkurenci ASIC, ale v některých aplikacích, kde není vyžadovaný vysoký výkon nebo speciální funkce, mohou představovat alternativní řešení. Cena mikrokontrolérů se v současnosti pohybuje velmi nízko a návrhové prostředky jsou laciné, přičemž platí i výhoda přeprogramovatelnosti v aplikaci podobně jako u FPGA/CPLD.

Odkazy

Reference

Související články

Programovatelný logický obvod (PLD) * Programovatelné hradlové pole (FPGA) * ULA

Externí odkazy

Kategorie:Číslicová technika Kategorie:Elektronika