วงจรรวมเฉพาะกิจ

ภาพรวม

วงจรรวมเฉพาะกิจ (ASIC ) คือ ชิปวงจรรวม (IC) ที่ถูกปรับแต่งสำหรับการใช้งานเฉพาะอย่าง แทนที่จะมีไว้สำหรับการใช้งานทั่วไป เช่น ชิปที่ออกแบบมาเพื่อทำงานในเครื่องบันทึกเสียงดิจิทัลหรือตัวแปลงสัญญาณวิดีโอที่มีประสิทธิภาพสูง ชิปผลิตภัณฑ์มาตรฐานเฉพาะกิจเป็นตัวกลางระหว่างวงจรรวมเฉพาะกิจและวงจรรวมมาตรฐานอุตสาหกรรมเช่นซีรีส์ 7400 หรือซีรีส์ 4000 ชิปวงจรรวมเฉพาะกิจมักจะถูกสร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีโลหะ–ออกไซด์–เซมิคอนดักเตอร์ (MOS) ในฐานะชิปวงจรรวมแบบ MOS ในขณะที่ขนาดของคุณลักษณะได้ลดลงและเครื่องมือออกแบบชิปได้รับการปรับปรุงในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ความซับซ้อนสูงสุด (และด้วยเหตุนี้จึงรวมถึงฟังก์ชันการทำงาน) ที่เป็นไปได้ในวงจรรวมเฉพาะกิจได้เติบโตจากเกตลอจิก 5,000 ไปจนถึงกว่า 100 ล้านตัว วงจรรวมเฉพาะกิจสมัยื้อมักจะรวมไมโครโปรเซสเซอร์ทั้งตัว บล็อกหน่วยความจำรวมถึง ROM, RAM, EEPROM, แฟลชเมมโมรี่ และองค์ประกอบขนาดใหญ่อื่นๆ วงจรรวมเฉพาะกิจดังกล่าวบ่อยครั้งถูกเรียกว่า SoC (ระบบบนชิป) นักออกแบบวงจรรวมเฉพาะกิจดิจิทัลมักจะใช้ภาษาคำอธิบายฮาร์ดแวร์ (HDL) เช่น Verilog หรือ VHDL เพื่ออธิบายฟังก์ชันการทำงานของวงจรรวมเฉพาะกิจ ฟิลด์โปรแกรมเมเบิลเกตอาร์เรย์ (FPGA) คือการปรับปรุงทางเทคโนโลยีสมัยใหม่บนเบรดบอร์ด ซึ่งหมายความว่าไม่ได้ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อให้เป็นแบบเฉพาะกิจตรงข้ามกับวงจรรวมเฉพาะกิจ บล็อกลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้และตัวเชื่อมต่อที่ตั้งโปรแกรมได้ช่วยให้ FPGA เดียวกันสามารถนำไปใช้ในงานที่แตกต่างกันมากมาย สำหรับการออกแบบที่มีขนาดเล็กหรือปริมาณการผลิตที่ต่ำกว่า FPGA อาจมีความคุ้มค่ามากกว่าการออกแบบวงจรรวมเฉพาะกิจ แม้แต่ในการผลิตก็ตาม ต้นทุนวิศวกรรมที่ไม่เกิดขึ้นซ้ำ (NRE) ของวงจรรวมเฉพาะกิจสามารถสูงถึงหลายล้านดอลลาร์ ดังนั้น ผู้ผลิตอุปกรณ์จึงมักจะชอบ FPGA สำหรับการทำต้นแบบและอุปกรณ์ที่มีปริมาณการผลิตต่ำ และใช้วงจรรวมเฉพาะกิจสำหรับปริมาณการผลิตที่สูงมากซึ่งต้นทุน NRE สามารถกระจายเฉลี่ยไปทั่วอุปกรณ์จำนวนมาก

ประวัติความเป็นมา

วงจรรวมเฉพาะกิจรุ่นแรกๆ ใช้เทคโนโลยีเกตอาร์เรย์ ภายในปี 1967 บริษัท Ferranti และ Interdesign กำลังผลิตเกตอาร์เรย์แบบไบโพลาร์รุ่นแรกๆ ในปี 1967 แฟร์ไชลด์เซมิคอนดักเตอร์ได้แนะนำตระกูลไมโครเมทริกซ์ของไดโอด–ทรานซิสเตอร์ลอจิก (DTL) และทรานซิสเตอร์–ทรานซิสเตอร์ลอจิก (TTL) แบบไบโพลาร์ เทคโนโลยีคอมพลีเมนทารีโลหะ–ออกไซด์–เซมิคอนดักเตอร์ (CMOS) ได้เปิดประตูสู่การพาณิชย์ในวงกว้างของเกตอาร์เรย์ เกตอาร์เรย์แบบ CMOS ตัวแรกถูกพัฒนาโดย โรเบิร์ต ลิปป์ ในปี 1974 สำหรับบริษัทอินเตอร์เนชั่นแนลไมโครคาร์กิตส์ อิงค์ (IMI) เทคโนโลยีมาตรฐานเซลล์โลหะ–ออกไซด์–เซมิคอนดักเตอร์ (MOS) ถูกแนะนำโดยแฟร์ไชลด์และโมโตโรลา ภายใต้ชื่อทางการค้า ไมโครโมเสก และโพลีเซลล์ ในช่วงทศวรรษที่ 1970 เทคโนโลยีนี้ต่อมาประสบความสำเร็จเชิงพาณิชย์โดย VLSI Technology (ก่อตั้งในปี 1979) และ LSI Logic (1981) แอปพลิเคชันเชิงพาณิชย์ที่ประสบความสำเร็จของวงจรเกตอาร์เรย์พบได้ในคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล ZX81 และ ZX Spectrum ขนาด 8 บิตระดับล่าง ซึ่งเปิดตัวในปี 1981 และ 1982 สิ่งเหล่านี้ถูกใช้โดย Sinclair Research (สหราชอาณาจักร) เป็นหลักในฐานะโซลูชัน I/O ต้นทุนต่ำที่มีเป้าหมายเพื่อจัดการกราฟิกของคอมพิวเตอร์ การปรับแต่งเกิดขึ้นโดยการเปลี่ยนหน้ากากเชื่อมต่อโลหะ เกตอาร์เรย์มีความซับซ้อนขึ้นสูงสุดไม่กี่พันเกต ซึ่งปัจจุบันเรียกว่าการบูรณาการระดับกลาง เวอร์ชันต่อมามีความเป็นทั่วไปมากขึ้น โดยมีแม่พิมพ์ฐานที่แตกต่างกันซึ่งปรับแต่งโดยทั้งชั้นโลหะและโพลีซิลิคอน แม่พิมพ์ฐานบางอันยังมีองค์ประกอบหน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่ม (RAM)

การออกแบบเซลล์มาตรฐาน

ในช่วงกลางทศวรรษที่ 1980 นักออกแบบจะเลือกผู้ผลิตวงจรรวมเฉพาะกิจและนำการออกแบบของตนไปปฏิบัติโดยใช้เครื่องมือออกแบบที่มีจากผู้ผลิต แม้ว่าจะมีเครื่องมือออกแบบของบุคคลที่สามให้บริการ แต่ก็ไม่มีลิงก์ที่มีประสิทธิภาพจากเครื่องมือออกแบบของบุคคลที่สามไปยังโครงร่างและลักษณะประสิทธิภาพของกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์จริงของผู้ผลิตวงจรรวมเฉพาะกิจต่างๆ นักออกแบบส่วนใหญ่ใช้เครื่องมือเฉพาะของโรงงานเพื่อทำให้การออกแบบของพวกเขาเสร็จสมบูรณ์ ทางออกสำหรับปัญหานี้ ซึ่งส่งผลให้ได้อุปกรณ์ที่มีความหนาแน่นสูงขึ้นมากเช่นกัน คือการใช้งานเซลล์มาตรฐาน ผู้ผลิตวงจรรวมเฉพาะกิจทุกคนสามารถสร้างบล็อกฟังก์ชันที่มีลักษณะทางไฟฟ้าที่เป็นที่รู้จัก เช่น ดีเลย์การแพร่กระจาย ความจุ และความเหนี่ยวนำ ซึ่งสามารถแสดงในเครื่องมือของบุคคลที่สามได้เช่นกัน การออกแบบเซลล์มาตรฐานคือการใช้บล็อกฟังก์ชันเหล่านี้เพื่อให้บรรลุความหนาแน่นของเกตที่สูงมากและประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ดี การออกแบบเซลล์มาตรฐานอยู่กึ่งกลางระหว่าง § เกตอาร์เรย์และการออกแบบกึ่งกำหนดเอง และ § การออกแบบตามสั่งเต็มรูปแบบ ในแง่ของต้นทุนส่วนประกอบที่ไม่เกิดขึ้นซ้ำและเกิดขึ้นซ้ำ ตลอดจนประสิทธิภาพและความเร็วในการพัฒนา (รวมถึงเวลาออกสู่ตลาด) ภายในช่วงปลายทศวรรษที่ 1990 เครื่องมือสังเคราะห์ลอจิกได้เริ่มมีวางจำหน่าย เครื่องมือดังกล่าวสามารถคอมไพล์คำอธิบาย HDL เป็นเน็ตลิสต์ระดับเกต วงจรรวม (IC) เซลล์มาตรฐานได้รับการออกแบบในขั้นตอนเชิงแนวคิดต่อไปนี้เรียกว่าขั้นตอนการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ แม้ว่าขั้นตอนเหล่านี้จะทับซ้อนกันอย่างมากในทางปฏิบัติ:

วิศวกรรมความต้องการ: ทีมวิศวกรออกแบบเริ่มต้นด้วยความเข้าใจที่ไม่เป็นทางการเกี่ยวกับฟังก์ชันที่จำเป็นสำหรับวงจรรวมเฉพาะกิจใหม่ ซึ่งโดยทั่วไปได้มาจากการวิเคราะห์ความต้องการ การออกแบบระดับการถ่ายโอนรีจิสเตอร์ (RTL): ทีมออกแบบสร้างคำอธิบายของวงจรรวมเฉพาะกิจเพื่อให้บรรลุเป้าหมายเหล่านี้โดยใช้ภาษาคำอธิบายฮาร์ดแวร์ กระบวนการนี้คล้ายกับการเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์ในภาษาระดับสูง การตรวจสอบฟังก์ชันการทำงาน: ความเหมาะสมสำหรับวัตถุประสงค์ได้รับการตรวจสอบโดยการตรวจสอบฟังก์ชันการทำงาน ซึ่งอาจรวมถึงเทคนิคต่างๆ เช่น การจำลองลอจิกผ่านชุดทดสอบ การตรวจสอบอย่างเป็นทางการ การจำลองเสมือน หรือการสร้างและการประเมินแบบจำลองซอฟต์แวร์บริสุทธิ์ที่เทียบเท่า เช่น ใน Simics เทคนิคการตรวจสอบแต่ละวิธีมีข้อดีและข้อเสีย และบ่อยครั้งที่สุดจะมีการใช้วิธีการหลายวิธีร่วมกันสำหรับการตรวจสอบวงจรรวมเฉพาะกิจ ต่างจาก FPGA ส่วนใหญ่ วงจรรวมเฉพาะกิจไม่สามารถโปรแกรมใหม่ได้เมื่อถูกสร้างขึ้นแล้ว และด้วยเหตุนี้การออกแบบวงจรรวมเฉพาะกิจที่ไม่ถูกต้องสมบูรณ์จึงมีต้นทุนที่สูงกว่ามาก ซึ่งเพิ่มความจำเป็นในการครอบคลุมการทดสอบอย่างเต็มรูปแบบ การสังเคราะห์ลอจิก: การสังเคราะห์ลอจิกจะแปลงการออกแบบ RTL เป็นกลุ่มใหญ่ที่เรียกว่าโครงสร้างระดับล่างที่เรียกว่าเซลล์มาตรฐาน โครงสร้างเหล่านี้ถูกนำมาจากไลบรารีเซลล์มาตรฐานที่ประกอบด้วยคอลเลกชันที่ระบุลักษณะล่วงหน้าของเกตลอจิกที่ทำหน้าที่เฉพาะ เซลล์มาตรฐานมักจะเฉพาะเจาะจงกับผู้ผลิตที่วางแผนไว้ของวงจรรวมเฉพาะกิจ คอลเลกชันของเซลล์มาตรฐานผลลัพธ์และการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่จำเป็นระหว่างกันเรียกว่าเน็ตลิสต์ระดับเกต การจัดวางตำแหน่ง: เน็ตลิสต์ระดับเกตจะถูกประมวลผลต่อไปโดยเครื่องมือจัดวางตำแหน่งซึ่งวางเซลล์มาตรฐานลงบนภูมิภาคของแม่พิมพ์วงจรรวมที่เป็นตัวแทนของวงจรรวมเฉพาะกิจขั้นสุดท้าย เครื่องมือจัดวางพยายามที่จะหาการจัดวางที่เหมาะสมที่สุดของเซลล์มาตรฐาน ภายใต้ข้อจำกัดที่ระบุหลากหลายประการ การเดินสายสัญญาณ: เครื่องมือเดินสายอิเล็กทรอนิกส์ใช้การจัดวางทางกายภาพของเซลล์มาตรฐานและใช้เน็ตลิสต์เพื่อสร้างการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าtween พวกมัน เนื่องจากพื้นที่ค้นหามีขนาดใหญ่ กระบวนการนี้จะสร้างโซลูชันที่ "เพียงพอ" มากกว่า "เหมาะสมที่สุดทั่วโลก" ผลลัพธ์คือไฟล์ที่สามารถใช้เพื่อสร้างชุดโฟโตมาสก์ที่ช่วยให้โรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งมักเรียกว่า "แฟบ" หรือ "โรงหล่อ" สามารถผลิตวงจรรวมทางกายภาพได้ การจัดวางตำแหน่งและการเดินสายมีความเกี่ยวพันกันอย่างใกล้ชิดและเรียกรวมกันว่าการวางและการเดินในการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ แม้ว่าการสังเคราะห์ลอจิก การจัดวาง และการเดินสายจะได้รับการสนับสนุนโดยเครื่องมืออัตโนมัติการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ แต่ขั้นตอนเหล่านี้ต้องการคำแนะนำและการทำซ้ำจากผู้ออกแบบอย่างมาก ผู้ออกแบบให้ข้อจำกัดที่ได้มาจากวิศวกรรมความต้องการและการออกแบบ RTL รวมถึงข้อจำกัดด้านเวลา แพลนฟลอร์ งบประมาณพลังงาน และข้อจำกัดด้านพื้นที่ การทำซ้ำเครื่องมือหลายครั้งมักจะจำเป็นเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ด้านประสิทธิภาพ พลังงาน และพื้นที่ ซึ่งมักจะต้องมีการเพิ่มประสิทธิภาพและการปรับแต่งด้วยตนเองซึ่งขยายเวลาวงจรการออกแบบอย่างมาก การลงนามอนุมัติ: เมื่อกำหนดโครงร่างขั้นสุดท้ายแล้ว การสกัดวงจรจะคำนวณความต้านทานและความจุปรสิต ในกรณีของวงจรดิจิทัล สิ่งนี้จะถูกแมปเพิ่มเติมลงในข้อมูลความดีเลย์ซึ่งสามารถประเมินประสิทธิภาพของวงจรได้ โดยปกติแล้วจะใช้การวิเคราะห์ความดีเลย์แบบสถิต สิ่งนี้และการทดสอบขั้นสุดท้ายอื่นๆ เช่น การตรวจสอบกฎการออกแบบและการวิเคราะห์พลังงานที่เรียกรวมกันว่าการลงนามอนุมัติ มีวัตถุประสงค์เพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์จะทำงานได้อย่างถูกต้องในทุกสภาวะที่รุนแรงของกระบวนการ แรงดันไฟฟ้า และอุณหภูมิ เมื่อการทดสอบนี้เสร็จสิ้น ข้อมูลโฟโตมาสก์จะถูกปล่อยสำหรับการผลิตชิป ขั้นตอนเหล่านี้ ซึ่งนำไปใช้กับระดับของทักษะที่มีอยู่ทั่วไปในอุตสาหกรรม เกือบจะสร้างอุปกรณ์ขั้นสุดท้ายที่ใช้อุปกรณ์ดั้งเดิมอย่างถูกต้องเสมอไป เว้นแต่ข้อบกพร่องจะถูกนำเข้ามาในภายหลังโดยกระบวนการผลิตทางกายภาพ ขั้นตอนการออกแบบที่เรียกว่าขั้นตอนการออกแบบนั้นเหมือนกับการออกแบบผลิตภัณฑ์มาตรฐาน ความแตกต่างที่สำคัญคือการออกแบบเซลล์มาตรฐานใช้ไลบรารีเซลล์ของผู้ผลิตที่ถูกใช้ในการใช้งานการออกแบบอื่น ๆ อีกหลายร้อยรายการ และด้วยเหตุนี้จึงมีความเสี่ยงที่ต่ำกว่าการออกแบบตามสั่งเต็มรูปแบบมาก เซลล์มาตรฐานสร้างความหนาแน่นของการออกแบบที่คุ้มค่า และยังสามารถรวมแกน IP และหน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่มแบบคงที่ (SRAM) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ต่างจากเกตอาร์เรย์

เกตอาร์เรย์และการออกแบบกึ่งกำหนดเอง

การออกแบบเกตอาร์เรย์คือวิธีการผลิตซึ่งเลเยอร์ที่กระจายตัว ซึ่งแต่ละเลเยอร์ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์และอุปกรณ์แอคทีฟอื่นๆ ได้รับการกำหนดไว้ล่วงหน้า และเวเฟอร์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีอุปกรณ์ดังกล่าวจะถูก "เก็บไว้ในคลัง" หรือไม่ได้เชื่อมต่อก่อนขั้นตอนการทำโลหะของกระบวนการผลิต กระบวนการออกแบบทางกายภาพกำหนดการเชื่อมต่อของเลเยอร์เหล่านี้สำหรับอุปกรณ์ขั้นสุดท้าย สำหรับผู้ผลิตวงจรรวมเฉพาะกิจส่วนใหญ่ สิ่งนี้ประกอบด้วยเลเยอร์โลหะระหว่างสองถึงเก้าเลเยอร์โดยแต่ละเลเยอร์วิ่งตั้งฉากกับเลเยอร์ที่อยู่ด้านล่าง ต้นทุนวิศวกรรมที่ไม่เกิดขึ้นซ้ำนั้นต่ำกว่าการออกแบบตามสั่งเต็มรูปแบบมาก เนื่องจากมาสก์โฟโตลิโธกราฟีจำเป็นเฉพาะสำหรับเลเยอร์โลหะเท่านั้น วงจรการผลิตสั้นกว่ามาก เนื่องจากการทำโลหะเป็นกระบวนการที่ค่อนข้างรวดเร็ว จึงช่วยเร่งเวลาออกสู่ตลาด วงจรรวมเฉพาะกิจแบบเกตอาร์เรย์มักเป็นการประนีประนอมระหว่างการออกแบบที่รวดเร็วและประสิทธิภาพเสมอ เนื่องจากแมปการออกแบบที่กำหนดลงบนสิ่งที่ผู้ผลิตเก็บไว้เป็นเวเฟอร์ในคลังไม่เคยให้การใช้งานวงจรถึง 100% บ่อยครั้งที่ความยากลำบากในการเดินสายเชื่อมต่อต้องมีการย้ายไปยังอุปกรณ์อาร์เรย์ที่ใหญ่ขึ้นส่งผลให้ราคาชิ้นส่วนชิ้นเดียวเพิ่มขึ้น ความยากลำบากเหล่านี้มักเป็นผลมาจากซอฟต์แวร์ EDA ของโครงร่างที่ใช้ในการพัฒนาการเชื่อมต่อ การออกแบบเกตอาร์เรย์แบบบริสุทธิ์และมีลอจิกอย่างเดียวแทบจะไม่ถูกนำมาใช้โดยนักออกแบบวงจรในปัจจุบัน เนื่องจากเกือบทั้งหมดถูกแทนที่ด้วยอุปกรณ์ที่ตั้งโปรแกรมได้ในฟิลด์แล้ว อุปกรณ์ที่โดดเด่นที่สุดคือฟิลด์โปรแกรมเมเบิลเกตอาร์เรย์ (FPGAs) ซึ่งสามารถตั้งโปรแกรมได้โดยผู้ใช้และด้วยเหตุนี้จึงเสนอค่าใช้จ่ายในการใช้เครื่องมือที่น้อยที่สุด วิศวกรรมที่ไม่เกิดขึ้นซ้ำ ต้นทุนชิ้นส่วนชิ้นเดียวที่เพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อย และประสิทธิภาพที่เทียบเคียงกันได้ ปัจจุบัน เกตอาร์เรย์กำลังพัฒนาไปสู่วงจรรวมเฉพาะกิจที่มีโครงสร้างซึ่งประกอบด้วยแกน IP ขนาดใหญ่เช่นซีพียู หน่วยประมวลผลสัญญาณดิจิทัล อุปกรณ์ต่อพ่วง อินเทอร์เฟซมาตรฐาน หน่วยความจำในตัว SRAM และบล็อกของลอจิกที่กำหนดค่าใหม่ได้และไม่ได้มุ่งมั่น การเปลี่ยนแปลงนี้ส่วนใหญ่เป็นเพราะอุปกรณ์วงจรรวมเฉพาะกิจมีความสามารถในการรวมบล็อกฟังก์ชันของระบบขนาดใหญ่ และระบบบนชิป (SoCs) ต้องการลอจิกกาว ระบบย่อยการสื่อสาร (เช่น เครือข่ายบนชิป) อุปกรณ์ต่อพ่วง และส่วนประกอบอื่นๆ แทนที่จะเป็นเพียงหน่วยฟังก์ชันและการเชื่อมต่อพื้นฐานเท่านั้น ในการใช้งานบ่อยครั้งในภาคสนาม คำว่า "เกตอาร์เรย์" และ "กึ่งกำหนดเอง" มีความหมายเหมือนกันเมื่ออ้างถึงวงจรรวมเฉพาะกิจ วิศวกรกระบวนการมักใช้คำว่า "กึ่งกำหนดเอง" มากกว่า ในขณะที่ "เกตอาร์เรย์" มักถูกใช้โดยนักออกแบบลอจิก (หรือระดับเกต) มากกว่า

การออกแบบตามสั่งเต็มรูปแบบ

ในทางตรงกันข้าม การออกแบบวงจรรวมเฉพาะกิจตามสั่งเต็มรูปแบบกำหนดเลเยอร์โฟโตลิโธกราฟีทั้งหมดของอุปกรณ์ การออกแบบตามสั่งเต็มรูปแบบใช้สำหรับการออกแบบวงจรรวมเฉพาะกิจและการออกแบบผลิตภัณฑ์มาตรฐาน ประโยชน์ของการออกแบบตามสั่งเต็มรูปแบบรวมถึงพื้นที่ที่ลดลง (และด้วยเหตุผลดังกล่าวจึงช่วยลดต้นทุนส่วนประกอบที่เกิดขึ้นซ้ำ) การปรับปรุงประสิทธิภาพ และความสามารถในการรวมส่วนประกอบอะนาล็อกและส่วนประกอบอื่นๆ ที่ออกแบบไว้ล่วงหน้าและผ่านการตรวจสอบอย่างสมบูรณ์แล้ว เช่น แกนไมโครโปรเซสเซอร์ ซึ่งสร้างเป็นระบบบนชิป ข้อเสียของการออกแบบตามสั่งเต็มรูปแบบอาจรวมถึงเวลาในการผลิตและการออกแบบที่เพิ่มขึ้น ต้นทุนวิศวกรรมที่ไม่เกิดขึ้นซ้ำที่เพิ่มขึ้น ความซับซ้อนที่มากขึ้นในระบบการออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์ (CAD) และระบบอัตโนมัติการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ และข้อกำหนดด้านทักษะที่สูงมากจากฝั่งของทีมออกแบบ อย่างไรก็ตาม สำหรับการออกแบบที่เป็นดิจิทัลเท่านั้น ไลบรารีเซลล์ "เซลล์มาตรฐาน" ร่วมกับระบบ CAD สมัยใหม่ สามารถเสนอประโยชน์ด้านประสิทธิภาพ/ต้นทุนที่สำคัญด้วยความเสี่ยงที่ต่ำ เครื่องมือเค้าโครงอัตโนมัตินั้นรวดเร็วและใช้งานง่าย และยังมีโอกาสที่จะ "ปรับแต่งด้วยมือ" หรือเพิ่มประสิทธิภาพด้วยตนเองสำหรับทุกแง่มุมของการออกแบบที่จำกัดประสิทธิภาพ สิ่งนี้ได้รับการออกแบบโดยใช้ลอจิกเกตพื้นฐาน วงจร หรือเลเค้าโครงโดยเฉพาะสำหรับการออกแบบ

การออกแบบที่มีโครงสร้าง

การออกแบบวงจรรวมเฉพาะกิจที่มีโครงสร้าง (หรือที่เรียกว่า "การออกแบบวงจรรวมเฉพาะกิจแพลตฟอร์ม") เป็นแนวโน้มค่อนข้างใหม่ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ส่งผลให้มีความแตกต่างบางประการในคำจำกัดความ อย่างไรก็ตาม สมมติฐานพื้นฐานของวงจรรวมเฉพาะกิจที่มีโครงสร้างคือทั้งเวลาวงจรการผลิตและเวลาวงจรการออกแบบลดลงเมื่อเทียบกับวงจรรวมเฉพาะกิจแบบใช้เซลล์ เนื่องมาจากมีเลเยอร์โลหะที่กำหนดไว้ล่วงหน้า (จึงช่วยลดเวลาการผลิต) และการระบุลักษณะล่วงหน้าของสิ่งที่อยู่บนซิลิคอน (จึงช่วยลดเวลาวงจรการออกแบบ)

คำจำกัดความจากรากฐานของระบบฝังตัวระบุว่า: ในการออกแบบ "วงจรรวมเฉพาะกิจที่มีโครงสร้าง" เลเยอร์มาสก์ลอจิกของอุปกรณ์ได้รับการกำหนดไว้ล่วงหน้าโดยผู้จำหน่ายวงจรรวมเฉพาะกิจ (หรือในบางกรณีโดยบุคคลที่สาม) การสร้างความแตกต่างและการปรับแต่งการออกแบบทำได้โดยการสร้างเลเยอร์โลหะแบบกำหนดเองที่สร้างการเชื่อมต่อแบบกำหนดเองระหว่างองค์ประกอบลอจิกชั้นล่างที่กำหนดไว้ล่วงหน้า เทคโนโลยี "วงจรรวมเฉพาะกิจที่มีโครงสร้าง" ถูกมองว่าเป็นการเชื่อมช่องว่างระหว่างฟิลด์โปรแกรมเมเบิลเกตอาร์เรย์และการออกแบบวงจรรวมเฉพาะกิจแบบ "เซลล์มาตรฐาน" เนื่องจากชิปจำนวนน้อยเท่านั้นที่ต้องผลิตขึ้นแบบกำหนดเอง การออกแบบ "วงจรรวมเฉพาะกิจที่มีโครงสร้าง" จึงมีรายจ่ายที่ไม่เกิดขึ้นซ้ำ (NRE) ที่น้อยกว่าชิปแบบ "เซลล์มาตรฐาน" หรือ "ตามสั่งเต็มรูปแบบ" มาก ซึ่งกำหนดให้ต้องผลิตชุดมาสก์เต็มรูปแบบสำหรับการออกแบบทุกแบบ สิ่งนี้มีคำจำกัดความเดียวกันอย่างมีประสิทธิภาพกับเกตอาร์เรย์ สิ่งที่ทำให้วงจรรวมเฉพาะกิจที่มีโครงสร้างแตกต่างจากเกตอาร์เรย์คือในเกตอาร์เรย์ เลเยอร์โลหะที่กำหนดไว้ล่วงหน้าทำหน้าที่ทำให้การหมุนเวียนการผลิตเร็วขึ้น ในวงจรรวมเฉพาะกิจที่มีโครงสร้าง การใช้การทำโลหะที่กำหนดไว้ล่วงหน้ามีไว้เพื่อลดต้นทุนของชุดมาสก์เป็นหลัก รวมถึงทำให้เวลาวงจรการออกแบบสั้นลงอย่างมีนัยสำคัญ ตัวอย่างเช่น ในการออกแบบแบบใช้เซลล์หรือเกตอาร์เรย์ ผู้ใช้มักจะต้องออกแบบโครงสร้างพลังงาน นาฬิกา และการทดสอบด้วยตนเอง ในทางตรงกันข้าม สิ่งเหล่านี้ได้รับการกำหนดไว้ล่วงหน้าในวงจรรวมเฉพาะกิจที่มีโครงสร้างส่วนใหญ่ และด้วยเหตุนี้จึงสามารถประหยัดเวลาและค่าใช้จ่ายให้กับผู้ออกแบบเมื่อเทียบกับการออกแบบตามเกตอาร์เรย์ ในทำนองเดียวกัน เครื่องมือการออกแบบที่ใช้สำหรับวงจรรวมเฉพาะกิจที่มีโครงสร้างสามารถมีต้นทุนที่ต่ำกว่ามากและใช้งานง่ายกว่า (เร็วกว่า) กว่าเครื่องมือแบบใช้เซลล์ เนื่องจากไม่ต้องทำหน้าที่ทั้งหมดที่เครื่องมือแบบใช้เซลล์ทำ ในบางกรณี ผู้จำหน่ายวงจรรวมเฉพาะกิจที่มีโครงสร้างกำหนดให้ต้องใช้เครื่องมือที่ปรับแต่งสำหรับอุปกรณ์ของตน (เช่น การสังเคราะห์ทางกายภาพแบบกำหนดเอง) ซึ่งช่วยให้การออกแบบสามารถนำเข้าสู่การผลิตได้เร็วขึ้น

ไลบรารีเซลล์ การออกแบบตาม IP มาโครแบบฮาร์ดและซอฟต์

ไลบรารีเซลล์ของลอจิกดั้งเดิมมักจะจัดเตรียมโดยผู้ผลิตอุปกรณ์เป็นส่วนหนึ่งของบริการ แม้ว่าจะไม่มีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม แต่การเผยแพร่จะอยู่ภายใต้ข้อกำหนดของข้อตกลงการไม่เปิดเผยข้อมูล (NDA) และจะถือเป็นทรัพย์สินทางปัญญาโดยผู้ผลิต โดยปกติแล้ว การออกแบบทางกายภาพของพวกเขาจะถูกกำหนดไว้ล่วงหน้า ดังนั้นจึงอาจเรียกว่า "มาโครแบบฮาร์ด" สิ่งที่วิศวกรส่วนใหญ่เข้าใจว่าเป็น "ทรัพย์สินทางปัญญา" คือแกน IP ซึ่งเป็นการออกแบบที่ซื้อมาจากบุคคลที่สามเป็นย่อยของวงจรรวมเฉพาะกิจที่ใหญ่ขึ้น พวกมันอาจถูกจัดเตรียมในรูปแบบของภาษาคำอธิบายฮาร์ดแวร์ (มักเรียกว่า "มาโครแบบซอฟต์") หรือเป็นการออกแบบที่เดินสายอย่างสมบูรณ์ซึ่งสามารถพิมพ์ลงบนมาสก์ของวงจรรวมเฉพาะกิจได้โดยตรง (มักเรียกว่า "มาโครแบบฮาร์ด") องค์กรจำนวนมากในปัจจุบันขายแกนที่ออกแบบไว้ล่วงหน้าดังกล่าว ได้แก่ ซีพียู อีเธอร์เน็ต USB หรืออินเทอร์เฟซโทรศัพท์ และองค์กรขนาดใหญ่อาจมีแผนกหรือฝ่ายทั้งหมดในการผลิตแกนสำหรับส่วนอื่นๆ ขององค์กร บริษัท ARM ขายเฉพาะแกน IP เท่านั้น ทำให้เป็นผู้ผลิตแบบไม่มีโรงงาน อันที่จริง ฟังก์ชันหลากหลายที่มีให้บริการในการออกแบบวงจรรวมเฉพาะกิจที่มีโครงสร้างเป็นผลมาจากการปรับปรุงทางอิเล็กทรอนิกส์ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 และต้นทศวรรษ 2000 เนื่องจากแกนต้องใช้เวลาและการลงทุนเป็นอย่างมากในการสร้าง การนำกลับมาใช้ใหม่และการพัฒนาต่อไปช่วยลดวงจรผลิตภัณฑ์และสร้างผลิตภัณฑ์ที่ดีขึ้น นอกจากนี้ องค์กรฮาร์ดแวร์โอเพนซอร์สเช่น OpenCores กำลังรวบรวมแกน IP ฟรี โดยควบคู่ไปกับการเคลื่อนไหวซอฟต์แวร์โอเพนซอร์สในการออกแบบฮาร์ดแวร์ มาโครแบบซอฟต์มักจะเป็นอิสระจากกระบวนการ (กล่าวคือ สามารถผลิตได้ในกระบวนการผลิตที่หลากหลายและผู้ผลิตที่แตกต่างกัน) มาโครแบบฮาร์ดถูกจำกัดด้วยกระบวนการ และมักจะต้องลงทุนความพยายามในการออกแบบเพิ่มเติมเพื่อย้าย (พอร์ต) ไปยังกระบวนการหรือผู้ผลิตที่แตกต่างกัน

เวเฟอร์หลายโครงการ

ผู้ผลิตบางรายและบ้านออกแบบ ICเสนอบริการเวเฟอร์หลายโครงการ (MPW) เป็นวิธีการรับต้นทุนต้นทุนต่ำ มักเรียกว่ารถรับส่ง MPW เหล่านี้ซึ่งมีการออกแบบหลายแบบทำงานในช่วงเวลาปกติที่กำหนดไว้บนพื้นฐาน "ตัดแล้วไป" โดยปกติจะมีหนี้สินจำกัดในส่วนของผู้ผลิต สัญญาเกี่ยวข้องกับการส่งมอบแม่พิมพ์เปลือยหรือการประกอบและการบรรจุอุปกรณ์จำนวนหนึ่ง บริการมักจะเกี่ยวข้องกับการจัดหาฐานข้อมูลการออกแบบทางกายภาพ (เช่น ข้อมูลมาสก์หรือเทปสร้างแพตเทิร์น (PG)) ผู้ผลิตมักจะเรียกว่า "โรงหล่อซิลิคอน" เนื่องจากมีส่วนร่วมน้อยในกระบวนการนี้

ผลิตภัณฑ์มาตรฐานเฉพาะกิจ

ผลิตภัณฑ์มาตรฐานเฉพาะกิจ (ASSP) คือวงจรรวมที่ใช้งานฟังก์ชันเฉพาะที่ดึงดูดตลาดกว้าง ตรงข้ามกับวงจรรวมเฉพาะกิจที่รวมฟังก์ชันคอลเลกชันและถูกออกแบบโดยหรือสำหรับลูกค้าหนึ่งราย ASSP มีวางจำหน่ายในฐานะส่วนประกอบสำเร็จรูป ASSP ถูกใช้ในทุกอุตสาหกรรม ตั้งแต่ยานยนต์ไปจนถึงการสื่อสาร ตัวอย่างเช่น IC สองตัวที่อาจหรืออาจไม่ถือว่าเป็นวงจรรวมเฉพาะกิจคือชิปตัวควบคุมสำหรับพีซีและชิปสำหรับโมเด็ม ตัวอย่างทั้งสองนี้เฉพาะเจาะจงกับแอปพลิเคชัน (ซึ่งเป็นเรื่องปกติของวงจรรวมเฉพาะกิจ) แต่ถูกขายให้กับผู้ขายระบบที่แตกต่างกันจำนวนมาก (ซึ่งเป็นเรื่องปกติของชิ้นส่วนมาตรฐาน) ตัวอย่างของ ASSP ได้แก่ ชิปเข้ารหัส/ถอดรหัส ชิปตัวควบคุมอินเทอร์เฟซเครือข่ายอีเธอร์เน็ต และชิปตัวควบคุมแฟลชเมมโมรี่

แหล่งที่มา

Anthony Cataldo (26 มีนาคม 2002). "Xilinx looks to ease path to custom FPGAs". EE Times. CMP Media, LLC. เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 29 กันยายน 2007. สืบค้นเมื่อ 14 ธันวาคม 2006. "Xilinx intros next-gen EasyPath FPGAs priced below structured ASICs". EDP Weekly's IT Monitor. Millin Publishing, Inc. 18 ตุลาคม 2004.

ลิงก์ภายนอก

สื่อที่เกี่ยวข้องกับวงจรรวมเฉพาะกิจที่วิกิมีเดียคอมมอนส์