ASIC-Designfluss: Was ist ASIC-Design?

ASIC steht für Application-Specific Integrated Circuit (Anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis), und ist ein spezialisierter integrierter Schaltkreis, der dezidiert für eine bestimmte Funktion oder einen bestimmten Funktionssatz in einem elektronischen System entwickelt wurde. Im Gegensatz zu allgemein verfügbaren Mikroprozessoren in elektronischen Geräten wie Mikrowellen oder TV-Empfangsgeräten sind ASICs für eine bestimmte Anwendung maßgeschneidert und bieten beispiellose Effizienz und Leistung.

ASICs fassen eine Vielzahl elektronischer Produkte in sich zusammen, was externe elektronische Schaltkreisanforderungen minimiert. Aufgrund ihres maßgeschneiderten Charakters, der auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten ist, können bei der Entwicklung von ASICs höhere Kosten anfallen. Diese Kosten können jedoch gerechtfertigt und sogar als kostengünstig angesehen werden, wenn sie für Produkte mit hoher Stückzahl konzipiert werden.

Es gibt zwei Hauptvarianten des ASIC-Designs:

• Gate-Array (zur Hälfte benutzerdefiniertes Design)
• Vollständig benutzerdefiniertes Design

Hälftig benutzerdefiniertes Design ist in mehrere Gruppen unterteilt. Die ASIC-Klassifizierung ist nachstehend dargestellt:

Programmierbare ASICs werden bei manchen Auflistungen als von hälftig benutzerdefinierten ASICs verschieden angesehen. Weitere ASIC-Klassifizierungen sind unten aufgeführt:

Vollständig benutzerdefiniertes Design (Full-Custom): Die vollständig benutzerdefinierte Variante ist komplexer und kostspieliger, kann aber viel mehr als die Gate-Array-Variante leisten. Bei der Größe eines derartigen ASIC lassen sich erhebliche Einsparungen erzielen, da die Konstruktion nur die erforderlichen Anschnitte und Elektronik umfasst und nicht verwendete Anschnitte gelöscht werden. Derartige ASICs sind für einen bestimmten Zweck konzipiert und unterstützen eine bestimmte Funktion im Endprodukt.

Hälftig benutzerdefinierter ASIC (Semi-Custom): Bei diesem Ansatz werden diffuse Schichten, Transistoren und andere aktive Bauelemente vordefiniert, um den anfänglichen Designaufwand zu minimieren, was einmalig anfallende Technikkosten senkt.  Die Produktionszyklen sind in diesem Fall deutlich kürzer, da sie sich auf den Metallisierungsprozess stützen, was im Vergleich zu vollständig benutzerdefiniertem Design relativ schnell ist. Während der endgültigen Designphase manipulieren Techniker*innen spezifische Schalter durch Öffnen und Schließen, um das Verhalten des Chips entsprechend den gewünschten Spezifikationen zu steuern.

ASIC auf Standardzellenbasis: Diese Art von ASIC verwendet vordefinierte logische Zellen, die als Standardzellen bezeichnet werden, wie Gates, Multiplexer und Flipflops. Standardzellen werden in einer vollständig benutzerdefinierten Designmethode hergestellt und dienen als grundlegende Bausteine des ASIC-Designs. Sie bieten gleichwertige Leistung und Flexibilität, reduzieren aber Zeit und Risiko.

ASIC auf Gate-Array-Basis: Bei dieser ASIC-Kategorie werden Transistoren, Logik-Gates und andere aktive Bauelemente auf einem Silizium-Wafer erstellt und gefertigt, aber es werden während der Fertigung keine Verbindungen gebildet. Die vordefinierte Anordnung von Transistoren auf dem Gate-Array wird als Basis-Array bezeichnet, und das kleinste sich wiederholende Element, das das Gate-Array bildet, wird als Basiszelle bezeichnet. Dieser Ansatz bietet mehrere Vorteile, darunter eine kürzere Fertigungszeit, eine höhere Logikdichte und die Anpassung von Kontaktebenen.

Programmierbarer ASIC: Dieser ASIC-Typ kann nach der Fertigung auf Hardwareebene programmiert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen ASICs, die speziell für bestimmte Anwendungen entwickelt und gefertigt werden, bieten programmierbare ASICs ein gewisses Maß an Flexibilität und Reprogrammierbarkeit. Programmable Logic Devices (PLDs) und Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) sind perfekte Beispiele für programmierbare ASICs. 

ASICs sind in verschiedenen Branchen im Einsatz, in denen diese Technologie für spezielle Zwecke genutzt wird. Im Folgenden sind einige wichtige Branchen aufgeführt, in denen ASICs eine zentrale Rolle spielen:

Unterhaltungselektronik: ASICs sind in der Unterhaltungselektronik allgegenwärtig und tragen zum Betrieb von Geräten wie Smartphones, Digitalkameras und Smart-TVs bei. Die ASIC-Fähigkeit, maßgeschneiderte Lösungen zur Verfügung zu stellen, verbessert Gesamtleistung und Energieeffizienz dieser Geräte.

Telekommunikation: ASICs werden in Netzwerkgeräten, Routern und Kommunikationsgeräten eingesetzt. Ihr benutzerdefiniertes Design sorgt für optimale Funktionalität und Geschwindigkeit bei der Datenverarbeitung.

Automobilindustrie: ASIC-Systeme spielen in der Automobilindustrie eine wesentliche Rolle, da sie in verschiedene Systeme wie Motorsteuergeräte (ECUs), fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und Infotainment-Systeme integriert sind.

Gesundheitswesen: Medizinische Geräte, Diagnosegeräte und Bildgebungssysteme nutzen häufig ASICs, um die in diesem Bereich geltenden hohen Anforderungen an Präzision, Zuverlässigkeit und Energieeffizienz zu erfüllen.

Der Designprozess für ASICs ist ein präzisionsgetriebener Vorgang, der mehrere Stufen umfasst, die jeweils zur Entwicklung eines hochspezialisierten Chips beitragen. Zu den wichtigsten Phasen des ASIC-Designs gehören folgende:

Spezifikation und Anforderungen: Dies ist die erste Stufe des ASIC-Designprozesses. Hier werden die Spezifikationen und Anforderungen zu Beginn des Designprozesses definiert. In diesem Schritt werden von den wichtigsten interessierten Parteien Vorgaben eingeholt und die allgemeinen Produktvorgaben in detaillierte technische Spezifikationen umgewandelt. Erwartete Leistungsausgabe, Leistungsziele, Strombedarfsziele und andere wesentliche Parameter müssen klar umrissen werden.

Architekturdesign: Sobald die Spezifikationen vorliegen, wird die Architektur des ASIC entworfen. In diesem Schritt werden Gesamtaufbau, die Anordnung funktioneller Blöcke und Verbindungen zwischen diesen Blöcken festgelegt. Ingenieur*innen müssen viele mögliche Ideen im Brainstorming erfassen und den idealen Ansatz auswählen, indem sie Leistungsauswirkungen, technische Durchführbarkeit und Hardwareressourcen sorgfältig abwägen, gleichzeitig aber auch die Gesamtkosten innerhalb des zugewiesenen Budgets halten.

RTL-Design: Das Design der Registerübertragungsebene (Register-transfer Level, RTL) erfordert die Beschreibung der Funktionalität des ASIC mithilfe einer Hardware-Beschreibungssprache (Hardware Description Language, HDL). Diese Phase stellt den Übergang vom abstrakten Architekturdesign hin zur physischen Umsetzung dar.

Überprüfung: Die Überprüfung stellt sicher, dass der ASIC die Vorgabeanforderungen erfüllt, indem das Design im Prüfstand getestet und simuliert wird. Diese Phase ist entscheidend für die Ermittlung und Behebung von Designfehlern oder -problemen.

Synthese und Umsetzung:  Während der Synthese wird RTL-Code in eine Netzliste (Netlist) auf Gate-Ebene konvertiert, was die physische Implementierung des ASIC darstellt. Diese Netzliste wird in ein Layout übersetzt, und das physische Design wird hinsichtlich Strombedarf, Geschwindigkeit und Fläche optimiert.

Freigabe und Tape-Out: Nach Abschluss des technischen Layouts ist der nächste Schritt, um das technische Design den vom Fertigungsbetrieb empfohlenen Designregeln anzupassen. Ingenieur*innen führen Prüfungen des Layouts im Vergleich zum Schaltbild (Layout versus schematic, LVS) sowie Designregelprüfungen durch, wobei Simulationstools verwendet werden, um das Design bei Bedarf anzupassen. Dieser Prozess wird als Signoff (Abmeldung) bezeichnet. Sobald das Design die festgelegten Konstruktionsregeln erfüllt, erfolgt das Tape-Out, und das Design wird zur Fertigung an den entsprechenden Betrieb geschickt.

Fertigung: Der letzte Schritt umfasst die Fertigung des ASIC unter Rückgriff auf Halbleiterfertigungsprozesse. Dieser Schritt erfordert die Zusammenarbeit mit Halbleiterfertigungsbetrieben, die den benutzerdefinierten Chip herstellen können. Die Auswahl des richtigen Fertigungsbetriebs ist für das gewünschte Ergebnis von großer Wichtigkeit.

Leistungsoptimierung: ASICs sind so konzipiert, dass sie bei bestimmten Aufgaben hervorragende Leistungen erbringen, wobei sie nur über die für ihre jeweiligen Aufgaben essenziellen Schaltkreise verfügen. Ihr optimiertes Design bietet beispiellose Leistung und Effizienz und schlägt Allzweck-Prozessoren in puncto reduzierter Größe und geringerem Energiebedarf.

Energieeffizienz: Die benutzerdefinierte Natur von ASICs gestattet es, nicht erforderliche Komponenten zu entfernen, was Energieeffizienz und -bedarf verbessert.

Flächenoptimierung: ASICs können bestimmten Formfaktoren angepasst werden, was platzsparende Designs für elektronische Geräte gestattet.

Kosteneffizienz bei großen Volumina: Obwohl Anfangskosten für Design und Fertigung von ASICs beträchtlich sein können, gestattet eine Fertigung in großem Maßstab Kosteneffizienz, da redundante Komponenten eingespart werden.

Die Verbesserung von Leistung und Effizienz steht in der Elektronikbranche regelmäßig in der Prioritätenliste ganz oben. Die branchenweiten Auswirkungen der anwendungsspezifischen Natur von ASICs sind unübersehbar, denn sie fördern Innovation und die Leistungsfähigkeit elektronischer Geräte. Um den Designprozess von ASICs effizienter, schneller und kostengünstiger zu gestalten, ist eine sorgfältige Auswahl der Design- und Simulationssoftware erforderlich. Angesichts wachsender Geschwindigkeit und abnehmender Größe müssen Konstrukteur*innen über konventionelle Techniken hinausgehen und sich neuen Herausforderungen im Bereich der Multiphysik stellen.

Hier erfahren Sie mehr über die Bedeutung der Multiphysiksimulation: Halbleiterlösungen von Ansys

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