Что такое ASIC-чип?

ASIC (интегральная схема специального назначения) — это интегральная схема специального назначения, которая представляет собой интегральную схему, разработанную и изготовленную в соответствии с конкретными требованиями пользователя и потребностями конкретной электронной системы.

Каталог

Ⅰ Что такое чип ASIC?

Ⅱ Процесс проектирования чипа ASIC

Ⅲ Особенности чипа ASIC

Ⅳ Классификация чипов ASIC

Ⅴ Знакомство с продуктами ASIC-чипов

Ⅰ Что такое чип ASIC?

Микросхема ASIC ( интегральная схема специального назначения ) представляет собой специализированную интегральную схему, запатентованную прикладную микросхему, разработанную и изготовленную на корневом уровне в ответ на требования пользователя к конкретной электронной системе, вычислительная мощность и вычислительная эффективность которой могут быть настроены в соответствии с потребностями алгоритма. и является продуктом оптимизированной конструкции с фиксированным алгоритмом. Чип-модули ASIC могут широко использоваться в устройствах искусственного интеллекта, устройствах для добычи виртуальной валюты, расходных печатных устройствах, устройствах военной обороны и других интеллектуальных терминалах.

На аппаратном уровне чипы ASIC состоят из основных кремниевых материалов, фосфида галлия, арсенида галлия, нитрида галлия и других материалов. На уровне физической структуры модули микросхем ASIC собираются из IP-ядер, таких как внешние устройства хранения данных, диспетчеры питания, процессоры аудиоэкранов и сетевые схемы. Один и тот же модуль микросхем может содержать одну или несколько микросхем ASIC с одинаковыми или разными функциями для удовлетворения одной или нескольких конкретных потребностей.

ASIC характеризуются требованиями, специфичными для пользователя, и имеют преимущества меньшего размера, меньшего энергопотребления, повышенной надежности, улучшенной производительности, повышенной конфиденциальности и более низкой стоимости по сравнению с ИС общего назначения, выпускаемыми в массовом производстве.

Интегральная схема — это миниатюрное электронное устройство или компонент. Используя определенный процесс, транзисторы, резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, необходимые в цепи и проводке, соединяются между собой, изготавливаются в виде одной или нескольких небольших полупроводниковых пластин или диэлектрических подложек, а затем упаковываются в оболочку, превращаясь в микроструктуру с требуемой функцией схемы. . Все компоненты конструкции составлены как единое целое, что обеспечивает миниатюризацию электронного компонента, низкое энергопотребление, интеллект и высокую надежность. Интегральные схемы были изобретены в 1970-х годах Джеком Килби (интегральные схемы на основе германия (Ge)) и Робертом Нойесом (интегральные схемы на основе кремния (Si)).

Чем больше масштаб интегральной схемы, тем сложнее создать систему, в которой будут меняться особые требования для решения этих проблем. Поэтому появление интегральных схем специального назначения (ASIC) с участием пользователя в проектировании позволяет добиться оптимального проектирования всей системы, превосходной производительности и конфиденциальности. ASIC могут объединять функции нескольких, десятков или даже сотен интегральных схем общего назначения среднего и малого масштаба на одном кристалле. И вся система может быть интегрирована на одном чипе для удовлетворения потребностей системы. Это делает всю схему оптимизированной. Уменьшилось количество компонентов, сократилась проводка, уменьшились объем и вес, повысилась надежность системы.

Ⅱ Процесс проектирования чипа ASIC

Во-первых, ASIC необходимо разделить на внутренние функциональные модули, чтобы каждый функциональный модуль реализовал соответствующую функцию. Каждый функциональный модуль соединен вместе, образуя всю схему ASIC. Во-вторых, логическое проектирование модулей выполняется на языке описания аппаратного обеспечения (HDL) для формирования кода уровня передачи регистров (RTL) в соответствии с функциональными и интерфейсными требованиями. В-третьих, в соответствии с функциональными и временными требованиями спецификации ASIC напишите тестовый код или тестовый стимул с использованием прототипа программируемой пользователем логической матрицы (FPGA) или программного моделирования, чтобы проверить логику и убедиться, что конструкция логики полностью соответствует проектным требованиям. В-четвертых, код RTL сопоставляется с соответствующей библиотекой процессов с помощью инструмента логического синтеза. Затем выполняются компоновка, проводка и другие макеты для завершения проверки сроков и согласования для формирования данных компоновки для производства штампов.

Ⅲ Особенности чипа ASIC

В отличие от обычных микросхем, таких как центральные процессоры, которые генерируют результаты путем чтения и выполнения инструкций внешнего программного кода, микросхемы ASIC считывают необработанные входные сигналы данных и генерируют выходные сигналы непосредственно после операций внутренней логической схемы.

1 Преимущества

По сравнению с процессорами, графическими процессорами , FPGA и другими типами чипов, чипы ASIC имеют множество преимуществ при применении специализированных систем, как показано в следующих аспектах.

① Преимущество площади: микросхемы ASIC разработаны таким образом, чтобы избежать избыточных логических блоков, блоков обработки, регистров, блоков хранения и других архитектур. Они построены в виде чисто цифровых логических схем, что позволяет уменьшить площадь кристалла. Чтобы справиться с чипами небольшой площади, можно вырезать большее количество чипов из пластины того же размера, что помогает компаниям снизить затраты на пластины.

② Преимущество энергопотребления: чипы ASIC потребляют меньше энергии на единицу арифметических операций по сравнению с ЦП, графическим процессором и FPGA, например, графический процессор потребляет около 0,4 Вт электроэнергии на единицу арифметических операций, а ASIC потребляет около 0,2 Вт электроэнергии на единицу арифметических операций. который может лучше соответствовать ограничениям энергопотребления новых умных бытовых приборов.

③ Преимущество интеграции: система микросхем ASIC, схема и процесс высоко интегрированы благодаря индивидуальному дизайну, что помогает клиентам получать высокопроизводительные интегральные схемы.

④ Ценовое преимущество: благодаря небольшому размеру, высокой скорости работы и низкому энергопотреблению чипы ASIC намного дешевле, чем чипы ЦП, графического процессора и FPGA. Текущая средняя цена чипов ASIC на мировом рынке составляет около 3 долларов. В долгосрочной перспективе, если будет достигнут масштаб массового производства, ожидается, что цена на чипы ASIC продолжит снижаться.

2 недостатка

① Микросхемы ASIC строго индивидуализированы, имеют длительные циклы проектирования и разработки, а готовые продукты должны пройти физическую конструкцию и проверку надежности.

② Чипы ASIC сильно зависят от алгоритмов. Алгоритмы искусственного интеллекта обновляются и повторяются с высокой скоростью, что приводит к высокой частоте обновления микросхем ASIC.

③ Высокая степень кастомизации чипов ASIC и относительно длительный цикл исследований и разработок увеличивают риск исключения готовой продукции ASIC с рынка.

Ⅳ Классификация чипов ASIC

Классификация ASIC-чипов

(1) В зависимости от степени настройки

Чипы ASIC можно разделить на полностью специализированные микросхемы ASIC, полуиндивидуальные микросхемы ASIC и программируемые микросхемы ASIC.

① Полностью изготовленные на заказ чипы ASIC

Полностью настраиваемые микросхемы ASIC — это одни из самых настраиваемых микросхем, в которых разработчики проектируют логические блоки для различных функций на основе различных структур схем и создают на чипплате аналоговые схемы, блоки памяти и механические структуры. Логические ячейки соединены друг с другом с помощью плат масок, а платы масок микросхем ASIC также имеют широкие возможности настройки.

Разработка полностью специализированных микросхем ASIC обходится дорого: среднее время разработки каждого модуля микросхемы составляет более 9 недель. Этот тип чипа обычно используется для продвинутых приложений.

По сравнению с полукастомными чипами ASIC, полностью кастомные чипы ASIC превосходят их по производительности и энергопотреблению. Для той же функции средняя арифметическая производительность полностью специального ASIC-чипа примерно в 8 раз превышает среднюю арифметическую производительность полу-нестандартного ASIC-чипа при том же процессе, а производительность полностью специального ASIC-чипа с 24-нм техпроцессом лучше, чем у полукастомного чипа ASIC с 5-нм техпроцессом.

② Полуиндивидуальные ASIC-чипы

Большинство логических ячеек полузаказных ASIC взяты из стандартной библиотеки логических ячеек, а некоторые из них разработаны специально в соответствии с конкретными требованиями. Стоимость разработки ниже, а гибкость выше, чем у полностью специального ASIC-чипа.

В зависимости от количества стандартных логических ячеек и пользовательских логических ячеек полузаказные ASIC можно разделить на микросхемы вентильных матриц и микросхемы стандартных ячеек.

а. ASIC-чип массива ворот

Микросхема ASIC вентильной матрицы включает в себя канальную вентильную матрицу, бесканальную вентильную матрицу и структурированную вентильную матрицу. Структура чипа ASIC массива ворот на кремниевой пластине, заданное положение транзистора, не может быть изменена, разработчик в основном за счет изменения нижнего металлического слоя чипа и других способов настройки структуры межсоединения логического блока.

Микросхемы ASIC с каналированной вентильной матрицей : положения транзисторов в этих микросхемах строго фиксированы, и разработчики могут размещать схемы в заранее определенном пустом пространстве между рядами транзисторов.

Чип ASIC с каналированной вентильной матрицей

Бесканальные микросхемы ASIC с вентильной матрицей . В бесканальной структуре между рядами транзисторов нет пространства для компоновки схемы, и проектировщики обычно подключают провода над ячейками вентильной матрицы.

Бесканальная вентильная матрица ASIC

Микросхема ASIC со структурированной вентильной матрицей : эта структура состоит из основной строки вентильной матрицы и блока внедрения. Блок внедрения повышает гибкость схемы, но накладывает ограничения на размер микросхемы. При такой структуре площадь расположения линии используется более эффективно, стоимость проектирования снижается, а сроки выполнения работ сокращаются.

Микросхема ASIC со структурированной вентильной матрицей

б. Стандартный сотовый ASIC-чип

Этот тип микросхемы ASIC состоит из логических ячеек, выбранных из библиотеки стандартных ячеек. Разработчики могут расположить стандартные ячейки в соответствии с требованиями своего алгоритма. В дополнение к стандартным ячейкам в архитектуре микросхем ASIC стандартных ячеек также могут использоваться фиксированные блоки, такие как микроконтроллеры и микропроцессоры.

Стандартный сотовый ASIC-чип

③ Программируемый чип ASIC

Программируемые микросхемы ASIC можно разделить на микросхемы FPGA и микросхемы PLD. В реальном производстве число исследовательских институтов и компаний, которые классифицируют микросхемы FPGA как отличные от микросхем ASIC, увеличивается, поэтому в этом отчете PLD (программируемое логическое устройство) рассматривается только как подкатегория программируемых микросхем ASIC.

ПЛИС, также известные как программируемые логические устройства, включают в свою структуру матрицу базовых логических ячеек, триггеров, защелок и т.п., а их взаимосвязанные части существуют в виде отдельных модулей. Проектировщики могут программировать PLD для удовлетворения некоторых требований своих приложений.

(2) В соответствии с функцией терминала

Чипы ASIC можно классифицировать как чипы TPU, чипы BPU и чипы NPU в зависимости от функции терминала.

① TPU — это тензорные процессоры, предназначенные для машинного обучения. Например, в мае 2016 года Google разработала программируемый ускоритель искусственного интеллекта для платформы Tensorflow — программируемую педаль газа с искусственным интеллектом и внутренним набором инструкций, который запускается, когда программа Tensorflow меняет или обновляет свои алгоритмы.

② BPU — это мозговой процессор, архитектура встроенного процессора искусственного интеллекта, предложенная Horizon Technology.

③ NPU — это процессор нейронной сети, который имитирует человеческие нейроны и синапсы на уровне схемы и напрямую обрабатывает крупномасштабные данные электронных нейронов и синапсов с помощью набора инструкций глубокого обучения.

Ⅴ Знакомство с продуктами ASIC-чипов

① Google выпустила TPU в 2016 году, а версия физического процессора AlphaGo от Google 2017 года оснащена четырьмя TPU, которые могут поддерживать платформу Google Cloud TPU и суперкомпьютер с машинным обучением.

② В августе 2014 года IBM выпустила чип TrueNorth второго поколения с 28-нм техпроцессом, моделирующий структуру мозга, который можно применять для обработки видео в реальном времени.

③ Intel представила семейство микросхем ASIC Xeon в 2017 году. Эта серия микросхем может работать как автономный процессор без необходимости использования дополнительных хост-процессоров и вспомогательных процессоров, а также может применяться для машинного глубокого обучения.

④ Стэнфордский университет представил чипы ASIC на основе новой нейроморфной вычислительной архитектуры со скоростью вычислений в 9000 раз выше, чем у обычного компьютера, которые могут моделировать около 1 миллиона нейронов головного мозга и миллиарды синаптических связей.

⑤ Развивающиеся научно-технические компании расширяют применение чипов ASIC в сфере безопасности, помощи при вождении, традиционной бытовой технике, интеллектуальной медицине и других областях.

Frequently Asked Questions

1.Для чего используются чипы ASIC?

ASIC, или специализированная интегральная схема, представляет собой микрочип, разработанный для специального применения, например, протокола передачи или портативного компьютера. Вы можете противопоставить ASIC обычным интегральным схемам, таким как микропроцессор или микросхемы оперативной памяти вашего ПК.

2. Что такое технология чипа ASIC?

ASIC (интегральная схема специального назначения) — это микрочип, разработанный для специального применения, например, для определенного типа протокола передачи или портативного компьютера. Вы можете сравнить его с обычными интегральными схемами, такими как микропроцессор и микросхемы оперативной памяти вашего ПК.

3.Как работает чип ASIC?

ASIC-майнер — это устройство, которое использует микропроцессоры с единственной целью «добычи» цифровой валюты. Как правило, каждый ASIC-майнер предназначен для добычи определенной цифровой валюты. Итак, ASIC-майнер биткойнов может добывать только биткойны.