作為現(xiàn)代電氣工程不可或缺的一部分，專(zhuān)用集成電路 (ASIC) 構(gòu)成了一組多樣化的集成電路 (IC)，可幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化復(fù)雜的電子設(shè)備。

曾經(jīng)有一段時(shí)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(mǎn)足許多電氣設(shè)計(jì)項(xiàng)目的需要。如今，很少能看到一塊電路板沒(méi)有至少一個(gè) IC，而且電路板上布滿(mǎn)各種形狀和尺寸的 IC 也很常見(jiàn)。IC 在現(xiàn)代電氣工程中的巨大普及與工程師可以輕松找到、評(píng)估、購(gòu)買(mǎi)和實(shí)施的大量微芯片密切相關(guān)。然而，現(xiàn)成的 IC 有時(shí)無(wú)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(huì)考慮使用 ASIC。

什么是專(zhuān)用集成電路？定義專(zhuān)用集成電路

沒(méi)有關(guān)于 ASIC 確切含義的官方聲明，而且許多電子專(zhuān)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(yīng)歸類(lèi)為 ASIC 達(dá)成一致。盡管如此，我認(rèn)為以下摘自舊版模擬對(duì)話(huà)（第 12 頁(yè)）的定義是 ASIC 的一個(gè)很好的起點(diǎn)：

[A]n 使用基于單元的技術(shù)為特定客戶(hù)、應(yīng)用或市場(chǎng)設(shè)計(jì)的集成電路，其中必要的功能塊從單元庫(kù)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(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)的 IC。

該定義的第一部分——為特定客戶(hù)、應(yīng)用或市場(chǎng)設(shè)計(jì)的IC——是對(duì)該術(shù)語(yǔ)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?yàn)樗鼘ⅰ癆SIC”與簡(jiǎn)單的“定制 IC”區(qū)分開(kāi)來(lái)。如果 ASIC 與定制 IC 相同，為什么我們需要 ASIC 這個(gè)術(shù)語(yǔ)？

完整定義將 ASIC 標(biāo)識(shí)為提供定制功能但不需要完全定制設(shè)計(jì)過(guò)程的 IC。相反，定制功能是通過(guò)類(lèi)似于 PCB 設(shè)計(jì)的過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。在繪制原理圖時(shí)，我們會(huì)從庫(kù)中取出元件并將它們互連，有時(shí)我們會(huì)通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證部分原理圖。對(duì)于 ASIC，設(shè)計(jì)人員從庫(kù)中獲取功能塊，將它們互連，并通過(guò)仿真驗(yàn)證功能和性能。

例如，圖 1 顯示了一個(gè) ASIC，它結(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)內(nèi)核和客戶(hù)預(yù)期應(yīng)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(yīng)用”是什么意思？

ASIC 中的“特定應(yīng)用”一詞可能有些誤導(dǎo)。在當(dāng)前的電氣工程用語(yǔ)中，“應(yīng)用”通常是指電氣設(shè)備的實(shí)際用途。換句話(huà)說(shuō)，電氣設(shè)備的應(yīng)用回答了以下問(wèn)題：什么樣的有用工作這個(gè)設(shè)備是用來(lái)執(zhí)行的嗎？

例如，在他關(guān)于濾波器的介紹性文章中，Nick Davis 解釋說(shuō)濾波器應(yīng)用包括無(wú)線電通信、直流電源和音頻電子設(shè)備。這意味著濾波器電路在旨在實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信、生成可靠電源電壓或再現(xiàn)高質(zhì)量聲音的模塊或系統(tǒng)中很有用。

事實(shí)證明，專(zhuān)用集成電路通常并不特定于特定應(yīng)用，或者至少它們不限于特定應(yīng)用。例如，一個(gè)高度集成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器 ASIC 可能主要是為醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，但同樣的設(shè)備完全有可能同樣適用于工業(yè)視頻處理或多通道汽車(chē)傳感器網(wǎng)絡(luò)。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(jī)設(shè)計(jì)的，但包含了足夠的功能，可以在各種應(yīng)用中取得成功。

因此，我認(rèn)為術(shù)語(yǔ)特定于任務(wù)的集成電路 (TSIC) 或特定于功能的集成電路 (FSIC) 會(huì)更準(zhǔn)確。不過(guò)，TSIC和FSIC肯定不會(huì)像ASIC那樣順口溜。一般來(lái)說(shuō)，ASIC 的設(shè)計(jì)使得一個(gè)芯片可以有效地執(zhí)行特定的任務(wù)組合。即使特定應(yīng)用程序最初需要這種任務(wù)組合，也可能存在各種其他應(yīng)用程序，在這些應(yīng)用程序中，這種 ASIC 將是現(xiàn)成 IC 的有效且理想的替代品。

ASIC 設(shè)計(jì)周期

即使借助單元庫(kù)中的功能塊，設(shè)計(jì)和驗(yàn)證定制 IC 也不是一件容易的事。如果設(shè)計(jì)人員無(wú)法在現(xiàn)成的 IC 中找到所需的功能或性能，第一個(gè)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(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)或復(fù)雜可編程邏輯器件 (CPLD)——可能是一個(gè)合理的選擇。

在制造單個(gè)芯片之前，ASIC 開(kāi)發(fā)可能需要數(shù)月甚至數(shù)年的勞動(dòng)力和數(shù)百萬(wàn)美元的一次性工程 (NRE)成本。因此，對(duì)于具有苛刻性能要求的大批量項(xiàng)目，管理層通常可以證明 ASIC 開(kāi)發(fā)所涉及的時(shí)間和金錢(qián)是合理的。如果體積足夠大，ASIC 實(shí)際上可以在經(jīng)濟(jì)上變得有利。總體生產(chǎn)成本降低，因?yàn)榻M件和組裝成本的降低足以補(bǔ)償攤銷(xiāo) ASIC 開(kāi)發(fā)成本的增加。圖 3 中可以看到一個(gè)示例細(xì)分。

圖 2.此圖比較了基于 ASIC 的開(kāi)發(fā)成本與基于可編程邏輯的開(kāi)發(fā)成本。如您所見(jiàn)，隨著產(chǎn)量的增加，ASIC 方法最終實(shí)現(xiàn)了更低的總生產(chǎn)成本。圖片由Numato 實(shí)驗(yàn)室提供

下面的列表傳達(dá)了 ASIC 設(shè)計(jì)項(xiàng)目的主要部分。

• 系統(tǒng)要求和其他相關(guān)約束用于制定 ASIC 的規(guī)范。
• 規(guī)范為創(chuàng)建高級(jí)架構(gòu)設(shè)計(jì)提供了框架。
• 高層架構(gòu)被實(shí)現(xiàn)為低層邏輯。與 FPGA 和 CPLD 一樣，硬件描述語(yǔ)言（VHDL和Verilog）已成為 ASIC 設(shè)計(jì)的重要工具。
• 該設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)測(cè)試以驗(yàn)證功能和時(shí)序。
• 邏輯設(shè)計(jì)必須轉(zhuǎn)化為物理布局。
• 驗(yàn)證物理布局后，項(xiàng)目就可以進(jìn)行流片和制造了。
• 成功制造和封裝后，ASIC 可以進(jìn)行電氣測(cè)試并集成到原型中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

圖 3.示例 ASIC 圖。圖片由英特爾提供

此圖傳達(dá)了英特爾和谷歌開(kāi)發(fā)的 ASIC 的高級(jí)架構(gòu)。它是“云和通信服務(wù)提供商”的“可編程網(wǎng)絡(luò)設(shè)備”。

總而言之，ASIC 是高性能和大容量電子設(shè)備的重要補(bǔ)充，這些電子設(shè)備無(wú)法使用現(xiàn)成的組件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。