什么是專用集成電路

作為現代電氣工程不可或缺的一部分，專用集成電路 (ASIC) 構成了一組多樣化的集成電路 (IC)，可幫助設計人員優(yōu)化復雜的電子設備。

曾經有一段時間，分立元件（主要是電阻器、電容器、電感器、晶體管和二極管）足以滿足許多電氣設計項目的需要。如今，很少能看到一塊電路板沒有至少一個 IC，而且電路板上布滿各種形狀和尺寸的 IC 也很常見。IC 在現代電氣工程中的巨大普及與工程師可以輕松找到、評估、購買和實施的大量微芯片密切相關。然而，現成的 IC 有時無法提供通往優(yōu)化解決方案的直接途徑，在這種情況下，工程師可能會考慮使用 ASIC。

什么是專用集成電路？定義專用集成電路

沒有關于 ASIC 確切含義的官方聲明，而且許多電子專業(yè)人士可能并不總是就 ASIC 到底是什么或特定組件是否應歸類為 ASIC 達成一致。盡管如此，我認為以下摘自舊版模擬對話（第 12 頁）的定義是 ASIC 的一個很好的起點：

[A]n 使用基于單元的技術為特定客戶、應用或市場設計的集成電路，其中必要的功能塊從單元庫中獲取、互連和模擬以提供所需的系統(tǒng)功能和性能水平。該定義不包括使用傳統(tǒng)“定制”設計技術設計的 IC。

該定義的第一部分——為特定客戶、應用或市場設計的IC——是對該術語的更廣泛且可能更普遍的理解。但是，定義的第二部分很有幫助，因為它將“ASIC”與簡單的“定制 IC”區(qū)分開來。如果 ASIC 與定制 IC 相同，為什么我們需要 ASIC 這個術語？

完整定義將 ASIC 標識為提供定制功能但不需要完全定制設計過程的 IC。相反，定制功能是通過類似于 PCB 設計的過程實現的。在繪制原理圖時，我們會從庫中取出元件并將它們互連，有時我們會通過仿真來驗證部分原理圖。對于 ASIC，設計人員從庫中獲取功能塊，將它們互連，并通過仿真驗證功能和性能。

例如，圖 1 顯示了一個 ASIC，它結合了標準數字信號處理器 (DSP)內核和客戶預期應用所需的附加電路。

圖 1.帶有 DPS 的示例 ASIC。圖片由 Wiki Commons 和 Pauli Rautakorpi 提供 [ CC by 3.0 ]

ASIC 中的“特定應用”是什么意思？

ASIC 中的“特定應用”一詞可能有些誤導。在當前的電氣工程用語中，“應用”通常是指電氣設備的實際用途。換句話說，電氣設備的應用回答了以下問題：什么樣的有用工作這個設備是用來執(zhí)行的嗎？

例如，在他關于濾波器的介紹性文章中，Nick Davis 解釋說濾波器應用包括無線電通信、直流電源和音頻電子設備。這意味著濾波器電路在旨在實現無線通信、生成可靠電源電壓或再現高質量聲音的模塊或系統(tǒng)中很有用。

事實證明，專用集成電路通常并不特定于特定應用，或者至少它們不限于特定應用。例如，一個高度集成的數據轉換器 ASIC 可能主要是為醫(yī)學成像應用而設計的，但同樣的設備完全有可能同樣適用于工業(yè)視頻處理或多通道汽車傳感器網絡。我們甚至可以想到一些更通用的東西，例如片上系統(tǒng) (SoC) ASIC，它最初是為智能手機設計的，但包含了足夠的功能，可以在各種應用中取得成功。

因此，我認為術語特定于任務的集成電路 (TSIC) 或特定于功能的集成電路 (FSIC) 會更準確。不過，TSIC和FSIC肯定不會像ASIC那樣順口溜。一般來說，ASIC 的設計使得一個芯片可以有效地執(zhí)行特定的任務組合。即使特定應用程序最初需要這種任務組合，也可能存在各種其他應用程序，在這些應用程序中，這種 ASIC 將是現成 IC 的有效且理想的替代品。

ASIC 設計周期

即使借助單元庫中的功能塊，設計和驗證定制 IC 也不是一件容易的事。如果設計人員無法在現成的 IC 中找到所需的功能或性能，第一個解決方案通常是“繼續(xù)尋找”。如果困難仍然存在，可編程邏輯—— 現場可編程門陣列 (FPGA)或復雜可編程邏輯器件 (CPLD)——可能是一個合理的選擇。

在制造單個芯片之前，ASIC 開發(fā)可能需要數月甚至數年的勞動力和數百萬美元的一次性工程 (NRE)成本。因此，對于具有苛刻性能要求的大批量項目，管理層通常可以證明 ASIC 開發(fā)所涉及的時間和金錢是合理的。如果體積足夠大，ASIC 實際上可以在經濟上變得有利?？傮w生產成本降低，因為組件和組裝成本的降低足以補償攤銷 ASIC 開發(fā)成本的增加。圖 3 中可以看到一個示例細分。

圖 2.此圖比較了基于 ASIC 的開發(fā)成本與基于可編程邏輯的開發(fā)成本。如您所見，隨著產量的增加，ASIC 方法最終實現了更低的總生產成本。圖片由Numato 實驗室提供

下面的列表傳達了 ASIC 設計項目的主要部分。

• 系統(tǒng)要求和其他相關約束用于制定 ASIC 的規(guī)范。
• 規(guī)范為創(chuàng)建高級架構設計提供了框架。
• 高層架構被實現為低層邏輯。與 FPGA 和 CPLD 一樣，硬件描述語言（VHDL和Verilog）已成為 ASIC 設計的重要工具。
• 該設計經過測試以驗證功能和時序。
• 邏輯設計必須轉化為物理布局。
• 驗證物理布局后，項目就可以進行流片和制造了。
• 成功制造和封裝后，ASIC 可以進行電氣測試并集成到原型中進行實驗室和現場測試。

圖 3.示例 ASIC 圖。圖片由英特爾提供

此圖傳達了英特爾和谷歌開發(fā)的 ASIC 的高級架構。它是“云和通信服務提供商”的“可編程網絡設備”。

總而言之，ASIC 是高性能和大容量電子設備的重要補充，這些電子設備無法使用現成的組件進行優(yōu)化設計。