Những hành trình đầy cảm hứng
Theo dõi những câu chuyện của các học giả và các chuyến thám hiểm nghiên cứu của họ
Mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng (ASIC) là gì?
Không thể thiếu trong ngành kỹ thuật điện hiện đại, các mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng (ASIC) là một nhóm đa dạng các mạch tích hợp (IC) giúp các kỹ sư tối ưu hóa thiết bị điện tử phức tạp.
Trước đây, các linh kiện rời - chủ yếu là điện trở, tụ điện, cuộn cảm, transistor và diode - đã đủ cho nhiều dự án thiết kế điện. Ngày nay, hiếm khi thấy một bảng mạch không có ít nhất một IC và không ít trường hợp các bảng mạch đầy ắp IC với nhiều kích thước và hình dạng khác nhau. Sự phổ biến của IC trong kỹ thuật điện hiện đại gắn liền với sự đa dạng của các vi mạch mà các kỹ sư có thể dễ dàng tìm kiếm, đánh giá, mua và sử dụng. Tuy nhiên, các IC có sẵn trên thị trường đôi khi không đáp ứng tối ưu các yêu cầu thiết kế và trong những trường hợp đó, các kỹ sư có thể cân nhắc đến việc sử dụng ASIC.
ASIC là gì? Định nghĩa mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng
Không có một định nghĩa chính thức nào về ASIC và nhiều chuyên gia điện tử có thể không đồng ý về ASIC là gì hoặc liệu một thành phần cụ thể có nên được phân loại là ASIC hay không. Dù vậy, định nghĩa sau đây từ một số tạp chí kỹ thuật có thể là một điểm khởi đầu hợp lý:
“Một mạch tích hợp được thiết kế cho một khách hàng, ứng dụng hoặc thị trường cụ thể bằng cách sử dụng các kỹ thuật dựa trên thư viện cell, trong đó các khối chức năng cần thiết được lấy từ thư viện cell, kết nối với nhau và mô phỏng để cung cấp các chức năng và mức hiệu suất mong muốn. Định nghĩa này loại trừ các IC được thiết kế bằng kỹ thuật “tùy chỉnh” truyền thống.”
Phần đầu tiên của định nghĩa này - một IC được thiết kế cho một khách hàng, ứng dụng hoặc thị trường cụ thể - là cách hiểu rộng hơn và phổ biến hơn. Tuy nhiên, phần thứ hai lại giúp phân biệt “ASIC” với IC tùy chỉnh hoàn toàn. Nếu ASIC giống như IC tùy chỉnh, tại sao lại cần đến thuật ngữ ASIC?
Định nghĩa đầy đủ xác định ASIC là một IC cung cấp chức năng tùy chỉnh nhưng không đòi hỏi quy trình thiết kế hoàn toàn tùy chỉnh. Thay vào đó, chức năng tùy chỉnh được thực hiện thông qua một quy trình tương tự như thiết kế PCB. Khi vẽ sơ đồ mạch, ta lấy các linh kiện từ thư viện và kết nối chúng và đôi khi chúng ta sẽ xác minh một số phần của sơ đồ thông qua mô phỏng. Đối với ASIC, các kỹ sư lấy các khối chức năng từ thư viện, kết nối chúng và kiểm tra chức năng và hiệu suất thông qua mô phỏng.
Ví dụ, một ASIC có thể kết hợp lõi bộ xử lý tín hiệu số (DSP) chuẩn với mạch bổ sung cần thiết cho ứng dụng cụ thể của khách hàng.
Ý nghĩa của “Dành riêng cho ứng dụng” trong ASIC
Thuật ngữ “dành riêng cho ứng dụng” trong ASIC đôi khi có thể gây hiểu nhầm. Trong kỹ thuật điện hiện đại, “ứng dụng” thường đề cập đến mục đích thực tế của thiết bị điện tử. Nói cách khác, ứng dụng của thiết bị điện tử trả lời câu hỏi: thiết bị này được thiết kế để thực hiện công việc gì?
Ví dụ, các ứng dụng của mạch lọc bao gồm truyền thông vô tuyến, cung cấp nguồn DC và điện tử âm thanh, có nghĩa là mạch lọc hữu ích trong các mô-đun hoặc hệ thống có mục đích là truyền thông không dây, tạo ra nguồn điện ổn định hoặc tái tạo âm thanh chất lượng cao.
Trong thực tế, ASIC không phải lúc nào cũng dành riêng cho một ứng dụng cụ thể hoặc ít nhất không giới hạn trong một ứng dụng cụ thể. Một ASIC chuyển đổi dữ liệu tích hợp cao, chẳng hạn, có thể được thiết kế chủ yếu cho các ứng dụng hình ảnh y tế, nhưng hoàn toàn có thể sử dụng được cho xử lý video công nghiệp hoặc mạng cảm biến đa kênh trong ô tô. Một hệ thống trên chip (SoC) ASIC ban đầu thiết kế cho smartphone cũng có thể đủ chức năng để hoạt động trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Vì vậy, thuật ngữ mạch tích hợp dành riêng cho tác vụ (TSIC) hoặc mạch tích hợp dành riêng cho chức năng (FSIC) sẽ chính xác hơn. Tuy nhiên, TSIC và FSIC không dễ đọc bằng ASIC. Nhìn chung, ASIC được thiết kế để một con chip có thể thực hiện hiệu quả một tổ hợp tác vụ cụ thể. Ngay cả khi tổ hợp tác vụ này ban đầu cần thiết cho một ứng dụng cụ thể, ASIC vẫn có thể là lựa chọn thay thế hiệu quả cho IC có sẵn.
Quy trình thiết kế ASIC
Thiết kế và xác minh một IC tùy chỉnh, ngay cả khi có sự trợ giúp từ các khối chức năng trong thư viện, không phải là công việc đơn giản. Nếu một kỹ sư không tìm thấy chức năng hoặc hiệu suất yêu cầu từ các IC có sẵn, giải pháp đầu tiên thường là “tìm tiếp.” Nếu vấn đề vẫn tồn tại, logic lập trình được - các thiết bị như FPGA hoặc CPLD - có thể là một lựa chọn hợp lý.
Phát triển ASIC có thể mất vài tháng hoặc thậm chí vài năm và đòi hỏi chi phí không lặp lại (NRE) hàng triệu đô la trước khi một chip duy nhất được sản xuất. Do đó, các dự án có số lượng lớn và yêu cầu hiệu suất cao là tình huống mà ban quản lý có thể biện minh cho thời gian và chi phí phát triển ASIC. Với khối lượng đủ lớn, ASIC có thể mang lại lợi thế kinh tế. Chi phí sản xuất tổng thể giảm do chi phí linh kiện và lắp ráp giảm, vượt qua chi phí phát triển ASIC đã được phân bổ.
Dưới đây là các bước chính của một dự án thiết kế ASIC:
1. Yêu cầu hệ thống và các ràng buộc liên quan được sử dụng để thiết lập các thông số kỹ thuật của ASIC.
2. Thông số kỹ thuật tạo nền tảng cho thiết kế kiến trúc cấp cao.
3. Kiến trúc cấp cao được triển khai thành logic cấp thấp. Các ngôn ngữ mô tả phần cứng (VHDL và Verilog) đã trở thành công cụ quý giá cho thiết kế ASIC.
4. Thiết kế được kiểm tra để xác minh chức năng và thời gian.
5. Thiết kế logic được chuyển đổi thành bố trí vật lý.
6. Sau khi bố trí vật lý được xác minh, dự án sẽ sẵn sàng cho quy trình tape-out và chế tạo.
7. Sau khi chế tạo và đóng gói thành công, ASIC sẽ trải qua kiểm tra điện và tích hợp vào các nguyên mẫu để kiểm thử trong phòng thí nghiệm và thực địa.
ASIC là sự bổ sung quan trọng cho các thiết bị điện tử hiệu suất cao và có số lượng lớn không thể được tối ưu hóa bằng cách sử dụng các thành phần có sẵn.
===
(*) Chú giải các từ viết tắt:
- ASIC (Application-Specific Integrated Circuit): Mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng
- IC (Integrated Circuit): Mạch tích hợp
- DSP (Digital Signal Processor): Bộ xử lý tín hiệu số
- PCB (Printed Circuit Board): Bảng mạch in
- TSIC (Task-Specific Integrated Circuit): Mạch tích hợp dành riêng cho tác vụ
- FSIC (Functionality-Specific Integrated Circuit): Mạch tích hợp dành riêng cho chức năng
- FPGA (Field-Programmable Gate Array): Mảng cổng có thể lập trình tại hiện trường
- CPLD (Complex Programmable Logic Device): Thiết bị logic lập trình phức hợp
- NRE (Non-Recurring Engineering): Chi phí không lặp lại, thường là chi phí nghiên cứu và phát triển ban đầu
- SoC (System on Chip): Hệ thống trên chip
- VHDL (VHSIC Hardware Description Language): Ngôn ngữ mô tả phần cứng VLSI (VHSIC là từ viết tắt của Very High Speed Integrated Circuit, nghĩa là mạch tích hợp tốc độ rất cao)
- Verilog: Một ngôn ngữ mô tả phần cứng dùng trong thiết kế mạch tích hợp
0 Bình luận
Danh mục
- 1. Công nghệ vi mạch 39
- 3. Kỹ thuật và công cụ thiết kế 26
- 4. Cộng đồng vi mạch 2
- 5. Tin tức và sự kiện 2
Để lại bình luận