电子行业一直专注于小型化。这种小型化是由在最小尺寸中集成最大逻辑的愿望驱动的。尽管如此，在 2021 年，该行业还没有为摩尔定律的终结做好准备，尽管研发成本逐渐上升以继续沿着这条道路前进。
晶体管逻辑在微型芯片中实现计算的能力首先导致了 CPU 的发展。CPU 与 MPU 和微控制器等其他外围设备捆绑在一起为时不晚。在 MPU 继续满足通用计算需求的同时，微控制器则专注于特定应用和面向行业的细分市场。这些细分市场迫使半导体制造商在数字 IC 中以专用集成电路 (ASIC) 和 FPGA 的形式开发更具体和高性能的设计。
据最新统计，通用计算仅占半导体市场份额的21%。相比之下，无线通信、工业电子、消费电子、汽车电子等其他细分市场占其余部分。虽然存储器和逻辑 IC 市场在 2018 年的最高收入分别约为 1700 亿美元和 1000 亿美元，但专用逻辑以大约 950 亿美元的收入位居第三。微处理器的收入只有一半，而微控制器的收入与 ASIC 相比甚至不到三分之一。
除了嵌入式控制之外，ASIC 还新发现用于 AI 推理、高速搜索以及视觉和图像处理等应用。在嵌入式系统中，CPU 和 MCU 在低成本、低功耗的移动应用中处于领先地位。ASIC 在非消费应用中仍然占主导地位。ASIC 在大容量视觉和图像处理应用中尤其占有一席之地。
ASIC 的市场份额超过了微处理器和微控制器，似乎非常重要。让我们看看 ASIC 到底是什么！
什么是ASIC？
集成电路可以设计为迎合许多应用程序或服务于单个应用程序。为实现特定应用而设计的数字集成电路称为专用集成电路 (ASIC)。从根本上讲，这些 IC 是为实现特定用例而量身定制的。这些芯片通常容纳许多功能单元，如处理器、通信外围设备、内存等，都密集地封装在一个芯片上。这些类型的 ASIC 称为片上系统 (SoC)。ASIC 成本高，最适合大规模应用。通常，ASIC 设计为适合特定产品。
不同类型的 ASIC
在计算方面，ASIC 实际上不是可编程芯片。但是，这些可以由用户自定义以最适合各自的用例。定制是使用电子设计自动化 (EDA) 工具完成的，芯片设计由用户使用硬件描述语言 (HDL) 指定。定制级别决定了 ASIC 的类型。ASIC 可以是以下类型之一——
- 全定制
- 半定制
- 可编程的
全定制 ASIC
所有逻辑单元都是为特定应用而设计的，在完全定制的 ASIC 中具有固定的电路布局。程序员不能改变芯片的互连。此类设计适用于存储芯片、传感器和传感器、电源管理 IC、模拟处理器和微处理器等应用。使用全定制 ASIC 的优势在于以最小的芯片尺寸获得尽可能高的性能。然而，这一切都取代了复杂的设计、更长的上市时间和高昂的成本。这就是为什么这些 ASIC 专为高级和大容量应用而设计的原因。
半定制 ASIC
在这些类型的 ASIC 中，逻辑单元不是完全定制的。它们取自标准库，它们之间的互连既是定制的又是标准的。与可能在晶体管级别完成设计的全定制 ASIC 相比，所涉及的最低设计是半定制 ASIC 中的逻辑或门。这种方法有助于减少设计全定制 ASIC 所涉及的时间和成本。根据设计方法，半定制 ASIC 可以有两种类型：
- 基于标准单元的 ASIC——这些 ASIC 是使用标准单元库设计的。逻辑单元，如逻辑门、多路复用器、多路分解器、寄存器等，是从单元库中预先设计的。逻辑单元甚至可以是微处理器或微控制器。这种大小的逻辑单元称为兆单元。所有逻辑单元都排列成行，程序员可以在其中自定义块在自定义掩模层上的位置。
- 基于门阵列的 ASIC——在这些 ASIC 中，逻辑单元在芯片上具有固定的位置，设计人员可以使用掩膜层更改块之间的互连。基本单元是重复形成基本阵列的晶体管。这定义了设计人员互连的门阵列模式以完成 IC 设计。门阵列 IC 分为三种类型——通道门阵列、无通道门阵列和结构化门阵列。
可编程 ASIC
这些 ASIC 通常用于原型设计。设计人员可以以编程方式完全自定义设计。可编程 ASIC 有两种类型：
- 可编程逻辑器件 (PLD)——这些 ASIC 没有定制的逻辑单元或互连。有一个规则的逻辑单元矩阵，可以使用软件进行编程。设计人员可以自定义模块并定义互连。这允许产生特定于特定应用的设计。PLD 本身用作标准单元并有助于快速设计。PLD 的一些很好的例子是 PROM 和 EPROM。
- 现场可编程门阵列 (FPGA) – FPGA 由可编程门阵列组成，由可编程互连包围。门阵列用作可编程逻辑单元，可以定制为具有组合逻辑或时序逻辑。也可以使用一些方法对周围的互连进行编程。FPGA 对于可能在几个小时内完成的令人难以置信的快速设计非常有用。
基于门阵列的 ASIC 的类型
基于门阵列的 ASIC 分为三种类型：
- 通道门阵列——在通道门阵列中，固定高度的逻辑块排列成阵列，它们之间有空间用于互连。
- 无通道门阵列——在无通道门阵列中，逻辑块的行之间没有空间。相反，通过将晶体管放置在互连未使用的路径中，在逻辑单元上完成布线。
- 结构化门阵列——在结构化门阵列中，裸片上的一些空间留给固定的嵌入式块，其余的门阵列块可用于布线。嵌入式模块的使用减少了设计时间，尽管它可能不会产生最佳优化的设计。
结论
ASIC 通常涉及重用高级组件的芯片设计。这些组件具有寄存器、计数器、多路复用器、浮点运算单元和算术逻辑单元的门级复杂性。高级组件通常可用作知识产权 (IP) 内核。该设计公司拥有设计 ASIC 所涉及的 IP 核的版权。各个模块根据客户的设计相互连接，客户必须为每一个出货的芯片向设计公司支付专利费。
ASIC 在半导体行业占有很大的市场份额。即使不是通用计算，ASIC 也服务于各种其他细分市场以及嵌入式控制中的高级组件。ASIC 专为特定用例设计、定制和生产，并直接适用于特定最终产品。
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