Introducción a los circuitos integrados de aplicación específica (ASIC)

En nuestro día a día, nos encontramos con varios tipos de aparatos electrónicos. Una de las tecnologías que ha supuesto una revolución en la producción de aparatos electrónicos es "Circuito Integrado". Esta tecnología redujo el tamaño de los productos electrónicos al aumentar la densidad de puertas lógicas por chip. Hoy tenemos diferentes tipos y configuraciones de CI. Si observamos a nuestro alrededor, vemos que algunos CI sólo pueden utilizarse para una aplicación específica, mientras que otros CI pueden reprogramarse y utilizarse para varias aplicaciones. Estos tipos de CI se denominan ASIC. ¿Pero en qué se diferencian? ¿Cómo es posible reprogramarlos? ¿Por qué algunos CI no se pueden reprogramar? Sigue adelante para encontrar respuestas a estas preguntas.

¿Qué es un ASIC (circuito integrado de aplicación específica)?

La forma completa de ASIC es Circuito integrado de aplicación específica. Estos circuitos son específicos de la aplicación, es decir, circuitos integrados hechos a medida para una aplicación concreta. Suelen diseñarse desde la raíz en función de los requisitos de la aplicación concreta. Algunas de las características básicas ejemplos de circuitos integrados para aplicaciones específicas son los chips utilizados en los juguetes, el chip utilizado para la interconexión de la memoria y el microprocesador, etc. Estos chips sólo pueden utilizarse para la aplicación para la que están diseñados. Es de suponer que estos tipos de CI se prefieren sólo para aquellos productos que tienen una gran producción. Como los ASIC se diseñan desde la raíz, tienen un coste elevado y se recomiendan sólo para producciones de gran volumen.

La principal ventaja de los ASIC es la reducción del tamaño del chip, ya que un gran número de unidades funcionales de un circuito se construyen en un solo chip. Los ASIC modernos suelen incluir una unidad de 32 bits microprocesadorbloques de memoria, circuitos de red, etc. Este tipo de ASIC se conoce como Sistema en Chip. Con el desarrollo de la tecnología de fabricación y el aumento de la investigación en los métodos de diseño, se desarrollan ASIC con diferentes niveles de personalización.

Tipos de ASIC

Los ASIC se clasifican en función de la cantidad de personalización que un programador puede hacer en un chip.

Completamente a medida

En este tipo de diseño, todas las celdas lógicas están hechas a medida para una aplicación específica, es decir, el diseñador tiene que hacer las celdas lógicas especialmente para los circuitos. Todas las capas de máscara para la interconexión están personalizadas. Por lo tanto, el programador no puede cambiar las interconexiones del chip y, al programar, tiene que ser consciente de la disposición del circuito.

Uno de los mejores ejemplos de ASIC totalmente personalizado es un microprocesador. Este tipo de personalización permite a los diseñadores construir varios circuitos analógicos, células de memoria optimizadas o estructuras mecánicas en un único CI. La fabricación y el diseño de estos ASIC son costosos y requieren mucho tiempo. El tiempo que se tarda en diseñar estos CI es de unas ocho semanas.

Suelen estar destinados a aplicaciones de alto nivel. El máximo rendimiento, la minimización del área y el mayor grado de flexibilidad son las principales características del diseño personalizado completo. Finalmente, el riesgo es alto en el diseño, ya que los elementos del circuito de células lógicas, resistencias, etc., utilizados no se prueban previamente.

Semipersonalizado

En este tipo de diseño, las celdas lógicas se toman de bibliotecas estándar, es decir, no se elaboran a mano como en el diseño totalmente personalizado. Algunas máscaras se personalizan y otras se toman de la biblioteca prediseñada. Según el tipo de células lógicas tomadas de la biblioteca y la cantidad de personalización permitida para las interconexiones, estos ASIC se dividen en dos tipos: ASIC basados en células estándar y ASIC basados en matrices de puertas.

1). ASIC basado en células estándar

Para conocer estos CI, primero debemos entender qué significa una biblioteca de células estándar. Algunas de las células lógicas como Compuertas AND, compuertas OR, multiplexores, flip-flops son prediseñados por los diseñadores utilizando diferentes configuraciones, estandarizadas y almacenadas en forma de biblioteca. Esta colección se conoce como biblioteca de células estándar.

En los ASIC basados en células estándar, se utilizan células lógicas de estas bibliotecas estándar. En el chip ASIC, el área de células estándar o bloque flexible se compone de células estándar dispuestas en forma de filas. Junto con estos bloques flexibles se utilizan en el chip megacélulas como microcontroladores o incluso microprocesadores. Estas megacélulas también se conocen como megafunciones, macros de nivel de sistema, bloques fijos, bloques funcionales estándar.

La figura anterior representa un ASIC de célula estándar con una única área de célula estándar y cuatro bloques fijos. Las capas de máscara son personalizadas. Aquí el diseñador puede colocar las células estándar en cualquier lugar de la matriz. También se conocen como C-BIC.

2). ASIC basados en matrices de puertas

Este tipo de ASIC semipersonalizado tiene predefinidos transistores en la oblea de silicio, es decir, el diseñador no puede cambiar la colocación de los transistores presentes en la matriz. La matriz base es el patrón predefinido de la matriz de compuertas y la célula base es la célula repetitiva más pequeña de la matriz base.

El diseñador sólo tiene la responsabilidad de cambiar la interconexión entre transistores utilizando las primeras capas metálicas de la matriz. El diseñador elige de la biblioteca de matrices de puertas. Suelen llamarse "matrices de puertas enmascaradas". Los ASIC basados en matrices de puertas son de tres tipos. Son las matrices de puertas canalizadas, las matrices de puertas sin canales y las matrices de puertas estructuradas.

a).Conjunto de puertas canalizadas

En este tipo de matriz de compuertas, se deja espacio para el cableado entre las filas de transistores. Son similares al CBIC, ya que se deja espacio para la interconexión entre bloques, pero en la matriz de compuertas canalizadas las filas de celdas tienen una altura fija, mientras que en el CBIC este espacio puede ajustarse.

Algunas de las principales características de esta matriz de compuertas son: esta matriz de compuertas utiliza espacios predefinidos entre filas para la interconexión. El tiempo de fabricación es de dos días a dos semanas.

b). Conjunto de puertas sin canales

No queda espacio libre para el enrutamiento entre las filas de celdas, como se ve en la matriz de compuertas canalizadas. Aquí el enrutamiento se realiza desde arriba de las celdas de la matriz de compuertas, ya que podemos personalizar la conexión entre el metal 1 y los transistores. Para el enrutamiento, dejamos sin utilizar los transistores que se encuentran en el camino del enrutamiento. El tiempo de fabricación es de unas dos semanas.

c). Conjunto de puertas estructuradas

Este tipo de matriz de compuertas tiene un bloque incrustado junto con las filas de la matriz de compuertas, como se ha visto anteriormente. La matriz de compuertas estructurada tiene una mayor eficiencia de área de CBIC. Al igual que las matrices de compuertas enmascaradas, tienen un coste menor y un tiempo de respuesta más rápido. En este caso, el tamaño fijo de la función incrustada supone una limitación para la matriz de puertas estructurada. Por ejemplo, esta matriz de puertas contiene un área reservada para un controlador de 32k bits, pero si en una aplicación sólo necesitamos un área para un controlador de 16k bits, el área restante se desperdicia.

ASIC programable

Hay dos tipos de ASIC programables. Son los PLD y los FPGA

PLD (Dispositivos Lógicos Programables)

Se trata de células estándar fácilmente disponibles. Podemos programar un PLD para personalizar una parte de la aplicación, por lo que se consideran ASIC. Podemos utilizar diferentes métodos y software para programar un PLD. Estos contienen una matriz regular de células lógicas, normalmente una matriz lógica programable junto con flip-flops o latches. Aquí las interconexiones están presentes como un único gran bloque.
La PROM es un ejemplo común de este CI. La EPROM utiliza transistores MOS como interconexión, por lo que aplicando un alto voltaje podemos programarla. Los PLD no tienen células lógicas personalizadas ni interconexión. Estos tienen una rápida capacidad de diseño.

FPGAs (Field Programmable Gate Array)

Donde los PLD tienen una lógica de matriz programable como células lógicas FPGA tiene una disposición similar a la de las matrices de puertas. Los PLD son más pequeños y menos complejos que los FPGA. Debido a su flexibilidad y características, la FPGA está sustituyendo TTL en sistemas microelectrónicos. El tiempo de diseño es de sólo unas horas.

El núcleo está formado por células lógicas básicas programables que pueden realizar tanto lógica combinacional y secuencial. Podemos programar las células lógicas y la interconexión utilizando algunos métodos. Las células lógicas básicas están rodeadas por la matriz de interconexiones programables y el núcleo está rodeado por células de E/S programables.

La FPGA suele estar compuesta por bloques lógicos configurables, bloques de E/S configurables, interconexiones programables, circuitos de reloj, ALU, memoria y decodificadores.

Hemos visto los diferentes tipos de ASIC disponibles. Ahora vamos a entender cuándo se realizan todas estas personalizaciones e interconexiones durante la fabricación.

Flujo de diseño de circuitos integrados de aplicación específica (ASIC)

El diseño de un ASIC se lleva a cabo paso a paso. Este orden de pasos se conoce como Diseño de ASIC Flujo. Los pasos del flujo de diseño se indican en el siguiente diagrama de flujo.

Entrada de diseño: En este paso, la microarquitectura del diseño se implementa utilizando lenguajes de descripción de hardware como VHDL, Verilog y System Verilog.
Síntesis lógica: En este paso se prepara una lista de red de las células lógicas que se van a utilizar, los tipos de interconexiones y todas las demás partes necesarias para la aplicación, utilizando HDL.
Partición del sistema: En este paso, dividimos el troquel de gran tamaño en piezas de tamaño ASIC.
Simulación previa al diseño: En este paso, se realiza una prueba de simulación para comprobar si el diseño contiene algún error.
Planificación de la planta: En este paso, los bloques de la lista de red se disponen en el chip.
Colocación: En este paso se decide la ubicación de las celdas dentro del bloque.
Enrutamiento: En este paso se trazan las conexiones entre bloques y celdas. Extracción: En este paso, determinamos las propiedades eléctricas como el valor de la resistencia y el valor de la capacidad de la interconexión.
Simulación posterior al diseño: Antes de presentar el modelo para su fabricación, se realiza esta simulación para comprobar si el sistema funciona correctamente junto con una carga de interconexión.

Ejemplos de ASIC

Una vez conocidas las diferentes características de los ASIC, veamos ahora algunos ejemplos de ASIC.
ASIC estándar basado en células: LCB 300k, 500k de LSI Logic Company, familias SIG1, 2, 3 de ABB Hafo Inc. y GCS90K de GCS Plessey.
Productos de matrices de puertas: AUA20K de Harris Semiconductor, SCX6Bxx de National Semiconductors, familias TGC/TEC de Texas Instruments.
Productos PLD: Familia PAL de Advanced Micro Devices, familia GAL de Philips Semiconductors, XC7300 y EPLD de XILINX.
Productos FPGA: Series XC2000, XC3000, XC4000, XC5000 de XILINX, pASIC1 de QuickLogic, MAX5000 de Altera.

Aplicaciones de los ASIC

La singularidad de los ASIC ha revolucionado la forma de fabricar la electrónica. Han reducido el tamaño de las matrices al tiempo que han aumentado la densidad de puertas lógicas por chip. Normalmente se prefieren los ASIC para aplicaciones de alto nivel. Los chips ASIC se utilizan como núcleos IP para satélites, fabricación de ROM, Microcontrolador y varios tipos de aplicaciones en los sectores médico y de investigación. Una de las aplicaciones de tendencia del ASIC es el MINERO DE BITCOIN.

Minero de Bitcoin

La minería de criptomonedas requiere una mayor potencia y un hardware de alta velocidad. Una CPU de propósito general no puede proporcionar tal capacidad de cálculo a alta velocidad. Los mineros de bitcoins ASIC son chips integrados en placas base especialmente diseñadas y fuentes de alimentaciónconstruidas en una sola unidad. Se trata de un hardware diseñado a propósito hasta el nivel del chip para la minería de bitcoins. Estas unidades pueden ejecutar el algoritmo de una sola criptomoneda. Para otro tipo de criptodivisa, presumiblemente, necesitamos otro minero.

Ventajas y desventajas del ASIC

El ventajas del ASIC incluyen las siguientes.

• • El pequeño tamaño del ASIC lo convierte en una gran opción para sistemas sofisticados de gran tamaño.

• • Al ser un gran número de circuitos construidos en un solo chip, esto provoca aplicaciones de alta velocidad.

• • El ASIC tiene un bajo consumo de energía.

• • Al ser el sistema en el chip, los circuitos están presentes uno al lado del otro. Por tanto, se necesita un enrutamiento mínimo para conectar varios circuitos.
  • El ASIC no tiene problemas de sincronización ni de configuración posterior a la producción.

El desventajas del ASIC incluyen las siguientes.

• • Al tratarse de chips personalizados, ofrecen poca flexibilidad de programación.

• • Como estos chips tienen que diseñarse desde la raíz, tienen un alto coste por unidad.
  • Los ASIC tienen un mayor margen de tiempo de comercialización.

ASIC vs FPGA

La diferencia entre ASIC y FPGA incluye lo siguiente.

Por tanto, se trata de una visión general de Circuito integrado de aplicación específica La invención del ASIC ha provocado un enorme cambio en la forma de utilizar la electrónica. Utilizamos los ASIC en nuestra vida diaria en forma de diversas aplicaciones. ¿Con qué aplicaciones de ASIC te has encontrado? ¿Con qué tipo de ASIC has trabajado?