Flusso di progettazione ASIC: cos'è la progettazione ASIC?

ASIC, abbreviazione di circuito integrato specifico per applicazione, è un tipo specializzato di circuito integrato progettato meticolosamente per eseguire una determinata funzione o un insieme di funzioni all'interno di un sistema elettronico. A differenza dei microprocessori per impieghi generici nei dispositivi elettronici di uso quotidiano, come il microonde o la TV, gli ASIC sono realizzati su misura per una particolare applicazione, offrendo efficienza e prestazioni senza precedenti.

Nella definizione di ASIC è compresa una vasta gamma di prodotti elettronici, riducendo al minimo i requisiti dei circuiti elettronici esterni. Per via della loro natura personalizzata e adattata ad applicazioni specifiche, lo sviluppo ASIC può comportare costi più elevati. Tuttavia, questa spesa può essere giustificata e persino considerata economicamente vantaggiosa quando si progettano prodotti in grandi volumi.

Esistono due metodi principali di progettazione ASIC:

• Gate array (design semi-personalizzato)
• Design completamente personalizzato

Il design semi-personalizzato è suddiviso in pochi gruppi. La classificazione degli ASIC è illustrata di seguito:

A volte, gli ASIC programmabili sono considerati separati dagli ASIC semi-personalizzati. Di seguito sono riportate altre classificazioni ASIC:

Design completamente personalizzato: Il metodo completamente personalizzato è più complesso e costoso, ma può fare molto di più del metodo gate array. Le dimensioni dell'ASIC diminuiscono significativamente, poiché il design incorpora solo i gate e i componenti elettronici necessari, e i gate inutilizzati vengono eliminati. Questi ASIC sono progettati per uno scopo specifico e supportano una particolare funzione nel prodotto finale.

ASIC semi-personalizzato: Questo approccio prevede la predefinizione di livelli diffusi, transistor e altri dispositivi attivi per ridurre al minimo gli sforzi iniziali di progettazione, riducendo così i costi di progettazione non ricorrenti.  I cicli di produzione sono significativamente più brevi perché viene utilizzato il processo di metallizzazione, relativamente rapido rispetto alla progettazione completamente personalizzata. Durante la fase di progettazione finale, gli ingegneri manipolano interruttori specifici, aprendoli e chiudendoli per guidare il comportamento del chip in base alle specifiche desiderate.

ASIC standard basato su celle: Questo tipo di ASIC utilizza celle logiche preprogettate chiamate celle standard, come porte, multiplexer e flip-flop. Le celle standard sono realizzate utilizzando una metodologia di progettazione completamente personalizzata e fungono da elementi di base per la progettazione ASIC, garantendo le stesse prestazioni e flessibilità, riducendo tempi e rischi.

ASIC basato su gate array: In questa categoria di ASIC, transistor, porte logiche e altri dispositivi attivi vengono creati e fabbricati su un wafer di silicio, mentre le interconnessioni non si formano durante la fabbricazione. La disposizione prestabilita dei transistor sul gate array è indicata come array di base, e l'elemento ripetitivo più piccolo che forma il gate array è chiamato cella di base. Questo approccio ha numerosi vantaggi, tra cui tempi di risposta più brevi, maggiore densità logica e personalizzazione dei livelli di contatto.

ASIC programmabile: Questo tipo di ASIC può essere programmato a livello hardware al termine della produzione. A differenza degli ASIC tradizionali, progettati e fabbricati su misura per applicazioni specifiche, gli ASIC programmabili offrono un certo grado di flessibilità e riprogrammazione. I dispositivi logici programmabili (PLD) e i gate di array programmabili sul campo (FPGA) sono esempi perfetti di ASIC programmabili. 

Gli ASIC trovano applicazione in vari settori, ognuno dei quali sfrutta la tecnologia per scopi unici. Ecco alcuni settori importanti in cui svolgono un ruolo fondamentale:

Elettronica di consumo: Gli ASIC sono onnipresenti nell'elettronica di consumo, poiché alimentano dispositivi come smartphone, fotocamere digitali e smart TV. La loro capacità di fornire soluzioni su misura migliora le prestazioni complessive e l'efficienza energetica di questi gadget.

Telecomunicazioni: Gli ASIC sono impiegati in apparecchiature di rete, router e dispositivi di comunicazione. La loro natura personalizzata garantisce funzionalità e velocità ottimali nell'elaborazione dei dati.

Settore automobilistico: Gli ASIC contribuiscono in modo significativo al settore automobilistico, in cui sono integrati in vari sistemi come le centraline motore (ECU), i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) e i sistemi di informazione e intrattenimento.

Sanità: I dispositivi medici, le apparecchiature diagnostiche e i sistemi di imaging spesso incorporano ASIC per soddisfare i severi requisiti di precisione, affidabilità ed efficienza energetica.

La progettazione di un ASIC è un processo meticoloso che coinvolge diverse fasi, ciascuna delle quali contribuisce alla creazione di un chip altamente specializzato. Le fasi chiave della progettazione ASIC includono:

Specifiche e requisiti: Questa è la prima fase del flusso di progettazione ASIC, che prevede la definizione delle specifiche e dei requisiti per avviare il processo di progettazione. Consiste nel raccogliere i contributi delle parti interessate e tradurre le specifiche generali dei prodotti in specifiche tecniche dettagliate. I risultati attesi, gli obiettivi prestazionali, gli obiettivi di consumo energetico e altri parametri essenziali devono essere chiaramente delineati.

Progettazione architettonica: Una volta definite le specifiche, viene progettata l'architettura dell'ASIC. Ciò comporta la determinazione della struttura complessiva, la disposizione dei blocchi funzionali e le interconnessioni tra questi blocchi. Gli ingegneri devono elaborare un brainstorming su molte possibili idee e scegliere l'approccio ideale, considerando attentamente le implicazioni in termini di prestazioni, fattibilità tecnica e risorse hardware, mantenendo al contempo il costo complessivo entro il budget assegnato.

Progettazione RTL: La progettazione RTL (Register-Transfer Level) prevede la descrizione della funzionalità dell'ASIC utilizzando un linguaggio di descrizione hardware (HDL). Questa fase funge da ponte tra la progettazione architettonica astratta e l'implementazione fisica.

Verifica: La verifica garantisce che l'ASIC soddisfi i requisiti specificati testando e simulando il progetto sul banco di prova. Questa fase è fondamentale per identificare e correggere eventuali difetti o problemi di progettazione.

Sintesi e attuazione:  Durante la sintesi, il codice RTL viene convertito in una netlist a livello di gate, che rappresenta l'implementazione fisica dell'ASIC. Questa netlist viene tradotta in un layout e il design fisico è ottimizzato per il consumo energetico, la velocità e l'area.

Signoff e tape-out: Dopo aver completato il layout fisico, il passaggio successivo consiste nel verificare il progetto fisico rispetto alle regole di progettazione consigliate dalla fonderia. Gli ingegneri eseguono controlli LVS (Layout-Versus-Schematic) e verifica delle regole di progettazione, che utilizzano strumenti di simulazione per modificare il progetto dove richiesto. Questo processo è chiamato signoff. Una volta che il progetto ha superato le regole di progettazione specificate, viene effettuato il tape-out e il progetto viene inviato alla fonderia per la produzione.

Produzione: La fase finale prevede la produzione dell'ASIC utilizzando processi di fabbricazione dei semiconduttori. In questa fase è richiesta la collaborazione con fonderie di semiconduttori in grado di produrre chip progettati su misura. La scelta della fonderia giusta aiuta a raggiungere il risultato desiderato.

Ottimizzazione delle prestazioni: Gli ASIC sono progettati per eccellere in attività specifiche, con circuiti essenziali solo per le loro funzioni dedicate. Il loro design semplificato contribuisce a fornire prestazioni ed efficienza senza precedenti, andando oltre i processori per impieghi generici, in termini di riduzioni delle dimensioni e del consumo energetico.

Efficienza energetica: La natura personalizzata degli ASIC consente di eliminare i componenti non necessari, migliorando l'efficienza energetica e riducendo il consumo energetico.

Ottimizzazione dello spazio: Gli ASIC possono essere personalizzati per adattarsi a fattori di forma specifici, consentendo progetti efficienti in termini di spazio nei dispositivi elettronici.

Convenienza in termini di volume: Sebbene i costi iniziali di progettazione e produzione ASIC possano essere considerevoli, diventano convenienti se prodotti in grandi volumi a seguito dell'assenza di componenti ridondanti.

Il miglioramento delle prestazioni e dell'efficienza ha sempre raggiunto il primo posto nell'elenco delle priorità nel settore dell'elettronica. L'impatto a livello settoriale della natura specifica delle applicazioni dell'ASIC è evidente, promuovendo l'innovazione e potenziando le capacità dei dispositivi elettronici. Per rendere il processo di progettazione degli ASIC più efficiente, rapido ed economico, è necessaria una scelta ponderata di software di progettazione e simulazione. Con velocità crescenti e dimensioni ridotte, i progettisti devono superare le tecniche convenzionali e affrontare le sfide emergenti della multifisica.

Ulteriori informazioni sull'importanza della simulazione multifisica sono disponibili qui: Soluzioni per semiconduttori Ansys

Risorse correlate