Flux de conception ASIC : Qu'est-ce que la conception ASIC ?

ASIC est l'abréviation de « application-specific integrated circuit » (circuit intégré spécifique à une application). Il s'agit d'un type spécialisé de circuit intégré, spécialement conçu pour exécuter une fonction particulière ou un ensemble de fonctions dans un système électronique. Contrairement aux microprocesseurs généralement utilisés dans les appareils électroniques de la vie quotidienne, comme votre micro-ondes ou votre décodeur TV, les circuits ASIC sont créés sur mesure pour une application unique, offrant une efficacité et des performances inégalées.

Les circuits ASIC englobent une gamme variée de produits électroniques, minimisant les exigences en matière de circuits électroniques externes. En raison de leur conception sur mesure, adaptée à des applications spécifiques, le développement des circuits ASIC peut induire des coûts plus élevés. Cependant, cette dépense peut être justifiée et même jugée rentable lors de la conception de produits à grand volume.

Il existe deux méthodes principales de conception ASIC :

• Réseau prédiffusé (conception semi-personnalisée)
• Conception entièrement personnalisée

La conception semi-personnalisée est divisée en plusieurs groupes. La classification des circuits ASIC est indiquée ci-dessous :

Les circuits ASIC programmables sont parfois considérés comme distincts des circuits ASIC semi-personnalisés. D'autres classifications ASIC sont indiquées ci-dessous :

Conception entièrement personnalisée : La méthode entièrement personnalisée est plus complexe et coûteuse. Cependant, elle offre une meilleure performance que la méthode des réseaux prédiffusés. La taille des circuits ASIC diminue de manière significative, car la conception intègre uniquement les portes et l'électronique nécessaires, et les portes inutilisées sont supprimées. Ces circuits ASIC sont conçus pour un usage spécifique et prennent en charge une fonction particulière dans le produit final.

Circuit ASIC semi-personnalisé : Cette approche implique de prédéfinir des couches diffusées, des transistors et d'autres dispositifs actifs afin de minimiser les efforts de conception initiaux, ce qui réduit les coûts d'ingénierie non récurrents.  Les cycles de production sont considérablement plus courts, car le processus de métallisation utilisé est relativement rapide comparé à la conception entièrement personnalisée. Lors de la phase finale de conception, les ingénieurs manipulent des interrupteurs spécifiques, les ouvrant et les fermant pour guider le comportement de la puce selon les spécifications souhaitées.

Circuit ASIC standard à base de cellules : Ce type de circuit ASIC utilise des cellules logiques préconçues, appelées cellules standard, telles que des portes, des multiplexeurs et des bascules. Les cellules standard sont fabriquées à l'aide d'une méthodologie de conception entièrement personnalisée et elles servent d'éléments de base pour la conception des circuits ASIC, garantissant les mêmes niveaux de performance et de flexibilité, mais réduisant le temps et les risques.

Circuit ASIC basé sur un réseau prédiffusé : Dans cette catégorie de circuits ASIC, des transistors, des portes logiques et d'autres dispositifs actifs sont créés et fabriqués sur une tranche de silicium, sans interconnexions formées pendant la fabrication. La disposition préétablie des transistors sur le réseau de portes est appelée réseau de base, et le plus petit élément répétitif formant le réseau prédiffusé est appelé cellule de base. Cette approche présente plusieurs avantages, notamment un temps d'exécution plus court, une densité logique plus élevée et la personnalisation des couches de contact.

Circuit ASIC programmable : Ce type de circuit ASIC peut être programmé au niveau matériel après fabrication. Contrairement aux circuits ASIC traditionnels, qui sont conçus et fabriqués sur mesure pour des applications spécifiques, les circuits ASIC programmables offrent un certain degré de flexibilité et de reprogrammation. Les dispositifs logiques programmables et les réseaux prédiffusés programmables (FPGA) sont des exemples parfaits de circuits ASIC programmables. 

Les circuits ASIC trouvent des applications dans diverses industries, chacune exploitant la technologie à des fins uniques. Voici quelques secteurs importants dans lesquels les circuits ASIC jouent un rôle central :

Électronique grand public : Les circuits ASIC sont omniprésents dans l'électronique grand public, alimentant des appareils tels que les smartphones, les appareils photo numériques et les téléviseurs connectés. Leur capacité à fournir des solutions sur mesure améliore les performances globales et l'efficacité énergétique de ces appareils.

Télécommunications : Les circuits ASIC sont utilisés dans les équipements de mise en réseau, les routeurs et les périphériques de communication. Leur conception personnalisée garantit une fonctionnalité et une vitesse optimales dans le traitement des données.

Industrie automobile : Les circuits ASIC contribuent de manière significative à l'industrie automobile où ils sont intégrés dans divers systèmes tels que les unités de commande du moteur, les systèmes avancés d'aide à la conduite et les systèmes d'infodivertissement.

Santé : Les dispositifs médicaux, les équipements de diagnostic et les systèmes d'imagerie intègrent souvent des circuits ASIC pour répondre aux exigences strictes de précision, de fiabilité et d'efficacité énergétique.

La conception d'un circuit ASIC est un processus minutieux impliquant plusieurs étapes, chacune contribuant à la création d'une puce hautement spécialisée. Les phases clés de la conception ASIC sont les suivantes :

Spécifications et exigences : Il s'agit de la première étape du flux de conception ASIC afin de définir les spécifications et les exigences pour démarrer le processus de conception. Cette étape consiste à recueillir les contributions des parties prenantes concernées et à traduire les spécifications générales du produit en spécifications techniques détaillées. Les résultats attendus, les objectifs de rendement, les cibles de consommation d'énergie et les autres paramètres essentiels doivent être clairement définis.

Conception de l'architecture : Une fois les spécifications définies, l'architecture du circuit ASIC est conçue. Il s'agit de déterminer la structure globale, la disposition des blocs fonctionnels et les interconnexions entre ces blocs. Les ingénieurs doivent réfléchir aux nombreuses possibilités et choisir l'approche idéale en examinant attentivement les implications en termes de performances, de faisabilité technique et de ressources matérielles, tout en maintenant le coût global dans les limites du budget alloué.

Conception RTL : La conception de niveau de transfert de registre (RTL, Register Transfer Level) implique la description de la fonctionnalité du circuit ASIC à l'aide d'un langage de description matériel. Cette phase sert de lien entre la conception architecturale abstraite et la mise en œuvre physique.

Vérification : La vérification garantit que le circuit ASIC répond aux exigences spécifiées en testant et en simulant la conception sur le banc d'essai. Cette étape est essentielle pour identifier et corriger les défauts ou problèmes de conception.

Synthèse et mise en œuvre :  Pendant la synthèse, le code RTL est converti en une liste d'interconnexions au niveau du réseau, représentant l'implémentation physique du circuit ASIC. Cette liste d'interconnexions est traduite en disposition physique, et la conception physique est optimisée pour la consommation d'énergie, la vitesse et la surface.

Approbation et enregistrement : Après avoir terminé la disposition physique, l'étape suivante consiste à vérifier la conception physique par rapport aux règles de conception recommandées par la fonderie. Les ingénieurs effectuent des vérifications LVS (disposition versus schéma) et des vérifications des règles de conception, en utilisant des outils de simulation pour modifier la conception si nécessaire. Ce processus se nomme l'approbation. Lorsque la conception valide les règles de conception spécifiées, elle est rédigée et envoyée à la fonderie pour fabrication.

Fabrication : La dernière étape consiste à fabriquer le circuit ASIC à l'aide de procédés de fabrication de semi-conducteurs. Cette étape nécessite une collaboration avec des fonderies de semi-conducteurs capables de produire la puce conçue sur mesure. Choisir la fonderie adaptée permet d'atteindre le résultat souhaité.

Optimisation des performances : Les circuits ASIC sont conçus pour exceller dans des tâches spécifiques, avec uniquement des circuits essentiels pour les fonctions dédiées. Leur conception rationalisée offre des performances et une efficacité inégalées, surpassant les processeurs à usage général en termes de taille limitée et de consommation d'énergie réduite.

Efficacité énergétique : La conception personnalisée des circuits ASIC permet d'éliminer les composants inutiles, améliorant l'efficacité énergétique et réduisant la consommation d'énergie.

Optimisation de l'espace : Les circuits ASIC peuvent être personnalisés pour s'adapter à des facteurs de forme spécifiques, permettant des conceptions peu encombrantes dans les appareils électroniques.

Rentabilité des grands volumes : Si les coûts initiaux de conception et de fabrication des circuits ASIC sont importants, ils deviennent rentables lorsqu'ils sont produits en grandes quantités en raison de l'absence de composants redondants.

L'amélioration des performances et de l'efficacité a toujours été en tête de liste des priorités de l'industrie électronique. L'impact à l'échelle de l'industrie de la conception spécifique aux applications des circuits ASIC est évident, car elle stimule l'innovation et optimise les capacités des appareils électroniques. Pour rendre le processus de conception des circuits ASIC plus efficace, rapide et rentable, une sélection judicieuse des logiciels de conception et de simulation est nécessaire. En raison des vitesses de plus en plus élevées et des tailles de plus en plus réduites, les concepteurs doivent aller au-delà des techniques conventionnelles et relever les défis multiphysiques émergents.

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