计算机组成原理 — ASIC 专用集成电路

Posted 2022-06-30 范桂飓

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了计算机组成原理 — ASIC 专用集成电路相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

ASIC

ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）是针对用户对特定电子系统的需求，从根级设计、制造的专有应用程序芯片，其计算能力和计算效率可根据算法需要进行定制，是固定算法最优化设计的产物。

ASIC 芯片模块可广泛应用于人工智能设备、虚拟货币挖矿设备、耗材打印设备、通信设备等智慧终端。

在硬件层面，ASIC 芯片由基本硅材料、磷化镓、砷化镓、氮化镓等材料构成。

在物理结构层面，ASIC 芯片模块由外挂存储单元、电源管理器、音频画面处理器、网络电路等IP核拼凑而成。同一芯片模组可搭载一个或几个功能相同或不同的ASIC 芯片，以满足一种或多种特定需求。

全定制 ASIC 芯片是定制程度最高的芯片之一，研发人员基于不同电路结构设计针对不同功能的逻辑单元，于芯片板搭建模拟电路、存储单元、机械结构。逻辑单元之间由掩模版连接，ASIC 芯片掩模版也具备高度定制化特点。

全定制化 ASIC 芯片设计成本较高，平均每单位芯片模块设计时间超过 9 周。该类芯片通常用于高级应用程序。

相对半定制化 ASIC 芯片，全定制化 ASIC 芯片在性能、功耗等方面表现优秀。

例如：应对相同功能，在同种工艺前提下，全定制化 ASIC 芯片平均算力输出约为半定制化 ASIC 芯片平均算力输出的 8 倍，采用 24 纳米制程的全定制化 ASIC 芯片在性能上优于采用 5 纳米制程的半定制化 ASIC 芯片。

构成半定制 ASIC 芯片的逻辑单元大部分取自标准逻辑单元库，部分根据特定需求做自定义设计。相对全定制 ASIC 芯片设计成本较低，灵活度较高。

根据标准逻辑单元和自定义逻辑单元数量搭配模式不同，半定制 ASIC 芯片可细分为门阵列芯片和标准单元芯片。

门阵列 ASIC 芯片结构中硅晶片上预定晶体管位置不可改变，设计人员多通过改变芯片底端金属层等方式调整逻辑单元互连结构。

门阵列 ASIC 芯片包括有信道门阵列、无信道门阵列和结构化门阵列。

有信道门阵列 ASIC 芯片：该类芯片晶体管位置高度固定，设计人员可在晶体管行之间预定义的空白空间进行电路布局；
无信道门阵列 ASIC 芯片：无信道结构下，晶体管行之间不存在电路布局空间，设计人员通常于门阵列单元上方进行布线；
结构化门阵列 ASIC 芯片：该结构包括基本门阵列行及嵌入块。嵌入块可提高线路布局灵活度，但对芯片体积构成限制。该结构下，线路布局面积使用效率较高，设计成本较低，周转时间较短。

该类 ASIC 芯片由选自标准单元库的逻辑单元构成。设计人员可按算法需求自行布置标准单元。除标准单元外，微控制器、微处理器等固定块也可用于标准单元 ASIC 芯片架构。

广义而言，可编程 ASIC 芯片可分为 FPGA 芯片和 PLD 芯片。

在实际生产过程中，将 FPGA 芯片列为不同于 ASIC 芯片的研究机构和企业数量不断增加，故本报告仅将 PLD（Programmable Logic Device）视为可编程 ASIC 芯片子类别。

PLD 在结构上包括基础逻辑单元矩阵、触发器、锁存器等，其互连部分作为单个模块存在。设计人员通过对 PLD 进行编程以满足部分定制应用程序需求。

相对 CPU、GPU、FPGA 等类型芯片，ASIC 芯片在专用系统应用方面具备多元优势，具体表现在如下几方面。

面积优势：ASIC 芯片在设计时避免冗余逻辑单元、处理单元、寄存器、存储单元等架构，以纯粹数字逻辑电路形式构建，有利于缩小芯片面积。应对小面积芯片，同等规格晶圆可被切割出更多数量芯片，有助于企业降低晶圆成本。
能耗优势：ASIC 芯片单位算力能耗相对 CPU、GPU、FPGA 较低，如 GPU 每算力平均约消耗 0.4 瓦电力，ASIC 单位算力平均消耗约 0.2 瓦电力，更能满足新型智能家电对能耗的限制。
集成优势：因采用定制化设计，ASIC 芯片系统、电路、工艺高度一体化，有助于客户获得高性能集成电路。
价格优势：受到体积小、运行速度高、功耗低等特点影响，ASIC 芯片价格远低于 CPU、GPU、FPGA 芯片。当前全球市场 ASIC 芯片平均价格约为 3 美元，远期若达到量产规模，ASIC 芯片价格有望保持持续下降态势。