Kasutaja:Ahti.laurisson/ASIC
Rakendus-spetsiifiline mikroskeem (ASIC ehk Application-Specific integrated circuit) on mikrokiip, mis on, erinevalt laiatarbekiipidest, valmistatud töötama vaid spetsiaalselt selleks valmistatud skeemides. Näiteks kiip, mis on loodud digitaalse häälesalvestina, on Rakendus-spetsiifiline mikroskeem.
Kuna füüsilised suurused on aastatega kahanenud ning konstrueerimisvahendid paranenud, siis maksimaalne kiibi keerukusaste on kasvanud kunagisest 5000 loogikaväravast üle 100 miljonini. Tänapäevased Rakendus-spetsiifilised mikroskeemid sisaldavad terveid mikroprotsessoreid, mitmesuguseid mälusid nagu püsimälu, muutmälu, EEPROM, välkmälu. Selliseid Rakendus-spetsiifilisi mikroskeeme nimetatakse tihti SoC'ks (System-on-Chip ehk süsteemikiip). Digitaalsete Rakendus-spetsiifiliste mikroskeemide projekteerijad kasutavad riistvarakirjelduskeeli nagu Verilog või VHDL, et kirjeldada kiibi tööpõhimõtteid.
FPGAd on tänapäeval tehnoloogia standardosadest prototüüpimiseks mõeldud kiibid. Neid on võimalik programmeerida mitmesuguste kasutusvaldkondade tarbeks. Väikesemõõtmeliste või -mahuliste toodete jaoks võivad FPGA'd olla odavamad kui Rakendus-spetsiifiline mikroskeem. Nende kiipide prototüüpimiskulud võivad ulatuda miljonitese eurodesse.
Ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]
Esimesed Rakendus-spetsiifilised mikroskeemid kasutasid ventiilmaatriksloogikat. Ferranti valmistas tõenäoliselt esimese ventiilmaatriksi (ULA ehk Uncommitted Logic Array) aastal 1980. Esimene kommertskasutus nendele kiipidele oli 8-bitistes ZX81 ja ZX Spectrum personaalarvutites, mis tulid müüki vastavalt 1981 ja 1982.[1] Sinclair Research kasutas neid kiipe odavate alternatiividena videokaardi asemel.
Kiipide kohandamine toimus metallist sidumismustri muutmisega. ULA'de suurimaks keerukusastmeks võis lugeda paar tuhat loogikaväravat. Hilisemad kiibid olid üldkasutuseks sobilikumad, sest neid sai kohandada nii metalli kui ka polüsilikooni sidumismustritega. Mõned kiibid sisaldasid ka muutmälu.
Standardploki projekt[muuda | muuda lähteteksti]
1980. aastatel oli Rakendus-spetsiifilise mikroskeemi insener sunnitud valima kindla tootja ning kasutama nende projekteerimistarkvarasid. Eksisteerisid küll kolmanda osapoole tarkvarad, kuid tihti ei olnud mingit seost nende kompositsioonivõimalustel ning tootjate tegelikul kiibi valmistamisvõimalusel. Suur osa insenere pidid seetõttu kasutama tehase-spetsiifilisi tarkvarasid, et oma kiipi lõplikult implementeerida. Probleemi lahendas standardploki kasutuselevõtmine[2]. Sellega kaasnes ka kiipide võimekuse tugev kasv. Iga Rakendus-spetsiifilise mikroskeemi tootja võis nüüd luua kindlate elektriliste omadustega plokke, mida sai esindada ka kolmanda osapoole tööriistades. Standardploki projekt on nende plokkide kasutamine, et saavutada suur väravate hulk ning hea elektriline jõudlus. Prototüüpimise vaatepunktist on see kallim kui ventiilmaatriksi kasutamine, kuid odavam kui täielik kohandamine.
1990. aastateks olid loodud juba loogika sünteesimiseks mõeldud tarkvarad. Need olid võimelised kompilleerima HDL kirjeldusi värava-tasandiliseks netlistiks ehk elektroonika ühenduste kirjeldamise nimekirjaks. Standardstruktuuri mikrokiibid valmistatakse järgnevate üldiste sammude järgi kuigi need sammud kattuvad praktikas väga tihti.
- Inseneride meeskond koostab üldise nimekirja tegevustest, millega Rakendus-spetsiifiline mikroskeem peab olema võimeline toime tulema. Tavaliselt koostatakse see vajaduste analüüsi alusel.
- Kasutades HDL keelt, koostatakse Rakendus-spetsiifilise mikroskeemi töökirjeldus. See samm on analoogne arvutiprogrammi kirjutamisega kõrgema loogika keeles.
- Kontrollitakse sobivust ettenähtud otstarbeks. Selleks kasutatakse mitmesuguseid meetodeid, mis sisaldavad loogika simuleerimist, emuleerimist või tarkvaralise mudeli loomist. Tihti kasutatakse selles sammus mitut meetodit korraga.
- Toimub loogika sünteesimine, mis muudab RTL (Register-transfer level ehk registripõhine ülekandetasand ) loogika standardplokkideks. Sünteesitarkvaras on selleks tarbeks olemas teegid eelvalmistatud plokkidega. Teek valitakse tavaliselt koos kiipi tootma hakkava firmaga. Valminud standardplokkide kogumit, koos vajalike elektriliste ühendustega, kutsutakse värava-tasandiliseks netlistiks.
- Värava-tasendilise netlisti abil on tarkvaras olev paigutustööriist võimeline valmistama tulevase Rakendus-spetsiifilise mikroskeemi struktuuri paigutades standardplokid sobivatesse asukohtadesse võttes samal ajal arvesse kiibile pandud piiranguid.
- Sellel sammul asub tööle marsruutimistööriist, mille eesmärk on tekitada vajalikud elektrilised ühendused vastavate standardplokkide vahel. Marsruuditava ala suuruse tõttu aga ei optimeeri see tööriist tavaliselt marsruutide pikkusi. Lõpptulemusena valmib fail, mille alusel on valitud tootjal võimalik valmistada fotomaskid ja neist esimesed prototüübid mikrokiibist.
- Viimase sammuna toimub mikrokiibi testimine ning analüüs. Kui kiip vastab kõigile nõuetele, siis antakse luba masstoodanguks.
Ventiilmaatriksprojekt[muuda | muuda lähteteksti]
Ventiilmaatriksprojekt on tootmistehnika, milles mitmesugused komponendid on üksteisest kihiti eraldatud ning lahtiühendatud. Füüsiline projekteerimisprotsess defineerib, millised ühendused tuleb teha valminud Rakendus-spetsiifilises mikroskeemis. Paljudele tootjatele tähendab see kiibis kahte kuni üheksat metallkihti (iga kiht jookseb eelmisega risti) vastavate ühenduste tegemiseks. Prototüüpimise hinnad on madalamad, sest fotolitograafia maskid on vajalikud ainult metallikihtide jaoks ning tootmistsükkel on seetõttu palju lühem.
Ventiilmaatriksiga Rakendus-spetsiifilist mikroskeemi loetakse alati kompromissiks, sest projekti marsruutimine tegeliku kiibi sisse ei täida kunagi kiipi 100%. Tihti tuleb kasutada kalleid kiipe, et saavutada soovitud tulemus. Need probleemid on tihti tingitud tarkvara tehtud valikutest kiibi marsruutimisel.
Puhast, ainult loogikaväravaid sisaldavat ventiilmaatriksi projekti ei kasutata tänapäeval väga tihti, sest selle on suurelt asendanud väliprogrammeeritavad seadmed, näiteks FPGA'd. Neid on võimalik programmeerida otse inseneri poolt ja seetõttu ei kaasne nendega ka erilisi prototüüpimiskulusid. Tänapäeva ventiilmaatriksid on kiiresti arenemas struktureeritud Rakendus-spetsiifiline mikroskeemideks, mis koosnevad suurest IP südamikust (näiteks keskprotessor), Digitaalne Signaalitöötlus (DSP ehk Digital Signal Processing) moodulist, lisamoodulitest, SRAM'ist ja programmeerimata muudetavast loogikast. See muutus on põhjustatud faktist, et Rakendus-spetsiifilised mikroskeemid on võimelised endas integreerima suuremaid süsteemifunktsioone kui lihtsad loogikaplokid.
Terminid poolkohandatav ja ventiilmaatriks on inseneride maailmas saanud sünonüümideks. Loogikainsenerid kasutavad pigem teist terminit ja tehnoloogid esimest.
Täiskohandatav projekt[muuda | muuda lähteteksti]
Erinevalt teistest projektidest defineerib täiskohandatav projekt kõik kiibi fotolitograafia kihid. Seda projekti kasutatakse nii Rakendus-spetsiifiliste mikroskeemide kui ka muude kiipide tootmiseks.
Täiskohandatava projekti eeliseks on väiksem kiibi suurus, ja sellega lisanduv kahanenud tootmishind, suurenenud jõudlus ja võimalus integreerida analoogkomponente ning muid varem projekteeritud komponente, näiteks mikroprotsessoreid, et luua süsteemikiip.
Selle projekti halbadeks külgedeks aga on suurenenud ajakulu ja suuremad prototüüpimiskulud. Samuti on protsessis kasutatud keerukaid CAD (Computer-aided design ehk raalprojekteerimine) tarkvarasid, mis omakorda nõuavad suuremate oskustega tööjõudu.
Puhtalt digitaalseteks kiipideks aga on olemas mitmeid standardploki teeke, mis koostöös CAD tarkvaradega pakuvad odavamat ja töökindlat projekti vähese riskiga. Automaatsed marsruutimis- ning paigutustööriistad on lihtsad ja kiired kasutada ning pakuvad võimalust ka käsitsi optimeerimiseks.
Struktureeritud projekt[muuda | muuda lähteteksti]
Struktureeritud Rakendus-spetsiifiline mikroskeem on hiljuti tööstusmaailma sisenenud termin, mistõttu selle defineerimine võib olla erinev. Põhilised definitsioonid struktureeritud Rakendus-spetsiifilise mikroskeemi kohta on väga sarnased ventiilmaatriksi definitsiooniga, kuid põhiline erinevus seisneb eelnevalt defineeritud metallikihtides, mis muudavad tootmise odavamaks ning kiiremaks. Samuti on ploki- või ventiilmaatriksipõhisel projektil vaja lisada juurde eraldi vooluringid ning sagedus, mis aga on juba projekteeritud ja ehitatud struktureeritud Rakendus-spetsiifilise mikroskeemi sisse. See võimaldab hoida kokku projekteerimiskulusid. Kuna kogu kiibi valmistamisprotsess on lihtsam kui teistel Rakendus-spetsiifiliste mikroskeemide tüüpidel, siis tüüpiliselt saab struktureeritud Rakendus-spetsiifilise mikroskeemi tootmisse saata oluliselt kiiremini.
Vaata ka[muuda | muuda lähteteksti]
- CPLD(Complex Programmable Logic Device ehk kompleksne programmeeritav loogikaseade)
- FPGA(Field-Programmable Gate Array ehk väliprogrammeeritav ventiilmaatriks)
- Süsteemikiip(SoC ehk System-on-Chip)
Kirjandus[muuda | muuda lähteteksti]
- Kevin Morris (23. november 2003). "Cost-Reduction Quagmire: Structured ASIC and Other Options". FPGA and Programmable Logic Journal.
- Anthony Cataldo (26. märts 2002). "Xilinx looks to ease path to custom FPGAs". EE Times. CMP Media, LLC.
- "Xilinx intros next-gen EasyPath FPGAs priced below structured ASICs". EDP Weekly's IT Monitor. Millin Publishing, Inc. 18. oktoober 2004.
- Golshan, K. (2007). Physical design essentials: an ASIC design implementation perspective. New York: Springer. ISBN 0-387-36642-3.
- Adamson, Ian; Kennedy, Richard (1986). Sinclair and the Sunrise Technology. Harmondsworth, England: Penguin Books Ltd. ISBN 0-14-008774-5.