ASIC. Application-Specific Integrated Circuit. Technische Informatik K. Slotala

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1 ASIC Application-Specific Integrated Circuit Technische Informatik K. Slotala Was ist ASIC? Anwendungsspezifische Schaltung, die fest im Schaltkreis integriert ist An die Anforderungen der Anwender angepasst und hergestellt (oftmals nur für eine Aufgabe) Der Entwurf wird durch umfangreiche Entwurfsregeln und Restriktionen realisiert Entwickelt durch Anwender- oder Maskenprogrammierung und CAD- Programmen Funktionen sind nachträglich nicht mehr veränderbar 1

2 Wieso ASICs? Durch ständig steigende Komplexität und Entwicklungskosten von ICs (wobei nicht alle der vorhandenen Funktionen von Standard ICs nicht verwendet werden) Einsatzbreite verringert sich unnötige Kosten fallen an um wettbewerbsfähig zu bleiben müsste die Produktionsstückzahl sowie der Preis des Produktes steigen Lösung: Produktion von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen für bestimmte Aufgaben Entwurfsarten der Schaltung Bottom-Up und Top-Down-Methode: System-Ebene Entwicklungsrichtung Blockstruktur-Ebene Gatter-Ebene Transistor-Ebene 2

3 ASIC-Klassen/Architekturen Full-Custom-IC Hergestellt komplett nach den Anforderungen des Anwenders Alle Masken des ASICs sind kundenspezifisch Extrem hoher Zeit- und Kostenaufwand Fehlentwicklungen sind höher als bei anderen Klassen Normalerweise nur hergestellt bei sehr hohen Produktionsstückzahlen ab ca

4 Semi-Custom-IC Es liegen vorgefertigte Basiselemente in Form von Zellen oder Blöcken vor Der Entwickler kann die anwendungsspezifischen Funktionen mit einer Hardwarebeschreibungssprache wie VHDL programmieren Chip wird dann entweder als Zellen-Entwurf oder Gate-Array entwickelt Kürzere Entwicklungszeit und auch für mittlere Produktionsstückzahlen wirtschaftlich lohnenswert Standardzellen-ICs Schaltung aus Standardzellen Anwendung vor allem bei komplexeren Schaltungen mit höherer Produktionsstückzahl Beispiele: Flipflops, einfache NOR- /NAND-Gatter, Multiplexer oder Inverter Technologieentwickler stellt dem Entwickler die Zellen als universell verwendbarere Bibliothek zur Verfügung Alle Masken sind kundenspezifisch hergestellt Nur Zellen und deren Verteilung & Verdrahtung muss bestimmt werden 4

5 Schneller als Full-Custom-ICs, da auf vorgefertigte Zellen zugegriffen wird Bei hohen Stückzahlen wirtschaftliche Vorteile Durch die höhere Designflexibilität ergeben sich technische Vorteile, da keine Siliziumstrukturen vorgegeben sind Chipflächenreduzierung gegenüber Gate Arrays, dadurch gibt es reduzierte Matrixzellen- und Peripherieflächen, optimierte Fläche für anwenderspezifische Verdrahtung usw. Gate Arrays Vorfabrizierte und hochintegrierte ICs Transistoren, Logik-Gatter (Gates) oder Blöcke sind strukturiert (Array) platziert Masken für Transistorstrukturen sind vom Entwickler bereits gegeben Masken für die Verdrahtungsebene wird anwenderspezifisch vom Kunden definiert Einfacher für Anwender als Standardzellen ICs 5

6 Programmierbare Logikbausteine Werden als gefertigte Standardprodukte, ohne dass der Kunde an der Entwicklung beteiligt ist, hergestellt Wesentlicher Vorteil aufgrund hoher Produktionsanzahl Spezifikation der Funktionen nicht durch Definition der Masken sondern durch Konfiguration des fertiggestellten ICs erzielt Innere Verdrahtung wird ebenso durch programmierbare Schalter bestimmt (bei FPGA auch die integrierten Logik-Funktionen) Zählige Produkte die sich in der Architektur, Komplexität, Anwendungsbereich, Geschwindigkeit, Programmierung differenzieren Wichtigste Gruppe: PLDs Diese werden größtenteils vom Anwender mit simplen Programmiersystemen in kurzer Zeit selbst programmiert PLD Bausteintypen: PROM (Programmable Read Only Memory) PAL (Programmable Logic Array) IFL (Integrated Fuse Logic) FPLA (Field Programmable Logic Array) FPLS (Field Programmable Logic Sequencer) FPGA (Field Programmable Gate Array) 6

7 IC-Klassen IC Standard-IC Kundenspezifische-IC Programmierbare ICs CPU (C)PLD LCA Logik-ICs Full-Custom-ICs Semi-Custom-ICs Standardz ellen ICs Gate-Array ASICs Zusammenfassung ASICs ASICs arbeiten sehr effizient und schneller als funktionsgleiche Umsetzungen über Software in einem Mikrokontroller Große Kostenersparnis bei höheren Produktionsstückzahlen Aufgrund der speziellen Anfertigungen verhindert es das Nachbauen Falls die Herstellung eingestellt wird, ist eine Reparatur nur noch durch Entnahme des ASICs möglich Anwenderprogrammierbare ASICs kennzeichnen: schnellen Markteinstieg, Produktion in geringeren Stückzahlen, schnelles Prototyping Maskenprogrammierbare ASICs kennzeichnen: höhere Entwicklungskosten und Dauer, lohnenswert bei größeren Produktionen 7

8 Quellenverzeichnis ASIC im Überblick, Auflage 1993, Peter Kosack ASIC-Praxis, Grundlagen und Handhabung anwenderspezifischer ICs, Auflage 1989, Peter Ammon Elektronik für Ingenieure: Analoge und digitale integrierte Schaltungen, Auflage 2003, László Palotas haltung, 10.Dezember 2018 Hardwareentwicklung mit ASIC, Einsatz und Anwendung von CAE- Entwurfswerkzeugen, Band 8, 1990, Prof. Dr. J. Siegl, Prof. Dr. H. Eichele 8