ASIC là gì?

Mọi người hầu như đã quen thuộc với thuật ngữ ‘Integrated Circuit’ (IC), là các thành phần cơ bản trong các thiết bị điện tử hiện đại. IC có nhiều loại và cấu hình khác nhau, phục vụ cho nhiều ứng dụng khác nhau. Nói chung, các mạch này có thể được phân loại thành hai nhóm: nhóm được thiết kế cho các ứng dụng đặc thù và nhóm có thể được lập trình lại cho nhiều mục đích khác nhau. Trong blog này, chúng ta sẽ đi sâu vào Application-Specific Integrated Circuit (mạch tích hợp đặc thù theo ứng dụng, hay gọi tắt là ASIC), một loại IC được thiết kế riêng cho một mục đích sử dụng cụ thể, cùng làm rõ về mặt thiết kế, ưu điểm và các lĩnh vực ứng dụng của chúng.

Bài blog này sẽ bàn về:

Chip ASIC (mạch tích hợp cho ứng dụng đặc thù) là gì?

ASIC là mạch tích hợp được thiết kế và tùy biến riêng cho một ứng dụng hoặc mục đích sử dụng cụ thể. Không giống như mạch tích hợp đa năng có thể được sử dụng trong nhiều thiết bị khác nhau, chúng thường được tạo ra từ đầu, dựa trên nhu cầu cụ thể của ứng dụng mà chúng hướng đến. Ví dụ bao gồm chip được tìm thấy trong đồ chơi hoặc chip được sử dụng để giao tiếp bộ nhớ và bộ vi xử lý.

Các loại ASIC

1. ASIC tùy biến toàn phần

Các ASIC này được thiết kế từ đầu cho một ứng dụng cụ thể. Mọi thứ của chip, từ các cổng logic đến bố cục mạch, đều được tùy biến để đáp ứng các yêu cầu chính xác của ứng dụng được nhắm đến. Các ASIC tùy biến hoàn toàn cung cấp hiệu suất cao nhất và mức tiêu thụ điện năng thấp nhất, nhưng chúng cũng là loại tốn kém và mất nhiều thời gian nhất để thiết kế và sản xuất. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng có khối lượng đủ lớn hoặc các yêu cầu về hiệu suất đủ nghiêm ngặt để bù lại cho giá thành và công sức thêm vào.

2. ASIC tùy biến một phần

ASIC tùy biến một phần, bao gồm ASIC dạng cell-based và ASIC dạng Gate Array, mang lại sự cân bằng giữa khả năng tùy biến và chi phí.

Cell-based ASIC: Trong thiết kế ASIC dựa trên các ô chuẩn, một thư viện ô chuẩn chứa các ô logic được thiết kế sẵn như cổng AND, cổng OR, bộ ghép kênh và flip-flop. Các ô này được chuẩn hóa và lưu trữ để sử dụng trong thiết kế chip ASIC. Chip ASIC thường bao gồm một vùng ô chuẩn hoặc khối linh hoạt, được tạo thành từ các ô này, được sắp xếp theo hàng và cũng có thể kết hợp các ô lớn như bộ vi điều khiển hoặc bộ vi xử lý, được gọi là các hàm mega, macro cấp hệ thống hoặc các khối cố định/khối chuẩn chức năng. Các lớp mặt nạ của ASIC ô chuẩn có thể tùy biến, cho phép các nhà thiết kế đặt các ô chuẩn một cách có chủ đích trên toàn bộ khuôn, dẫn đến việc sử dụng không gian và hiệu suất được tối ưu hóa, phương pháp thiết kế này còn được gọi là C-BIC.
ASIC Gate Array: ASIC Gate Array là một loại ASIC tùy biến một phần với các bóng bán dẫn được xác định trước trên wafer silicon, trong đó nhà thiết kế không thể thay đổi vị trí bóng bán dẫn nhưng có thể thay đổi các kết nối giữa chúng bằng cách sử dụng các lớp kim loại ban đầu. Thiết kế sử dụng thư viện Gate Array để cấu hình, thường tạo ra các Gate Array có kênh, không có kênh hoặc có cấu trúc, mỗi loại có cách tiếp cận kết nối khác nhau. Phương pháp này, được gọi là Masked Gate Array, dựa trên mẫu mảng cơ sở và các ô cơ sở để thiết kế mạch.
- Channeled Gate Array: Sử dụng các kênh định tuyến được xác định trước giữa các ô logic để kết nối có dây, phù hợp với các thiết kế chuẩn hóa cần đường dẫn kết nối linh hoạt.
- Channel-less Gate Array: Không có kênh định tuyến được xác định trước, cho phép thiết kế nhỏ gọn hơn bằng cách đặt các kết nối trực tiếp trên các ô, tăng cường mật độ chip.
- Structured Gate Array: Kết hợp các khối logic được xác định trước với các lớp kết nối có thể tùy biến, mang lại sự cân bằng giữa tính linh hoạt trong thiết kế và khả năng phát triển nhanh.

3. ASIC có thể lập trình

Programmable Logic Device (PLD): một loại mạch tích hợp kỹ thuật số có thể được lập trình để thực hiện nhiều hoạt động logic. Chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau để triển khai các mạch logic tùy biến mà không cần sản xuất chất bán dẫn tùy biến.
FPGA: Có thể lập trình lại và có thể sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Người dùng có thể cấu hình chúng sau khi sản xuất theo các nhu cầu khác nhau.

Quy trình thiết kế của mạch tích hợp ứng dụng đặc thù (ASIC)

Bước thiết kế: Ở giai đoạn này, kiến trúc vi mô được phát triển bằng các ngôn ngữ mô tả phần cứng như VHDL, Verilog và System Verilog.

Tổng hợp logic: Giai đoạn này bao gồm việc tạo ra một danh sách mạng phác thảo các ô logic, các kết nối của chúng và các thành phần cần thiết khác, tất cả đều bắt nguồn từ mã HDL.

Phân vùng hệ thống: Tại đây, khối lớn được chia thành các phần có kích thước ASIC dễ quản lý để thiết kế và xử lý hiệu quả hơn.

Mô phỏng trước khi bố trí: Mô phỏng được thực hiện ở giai đoạn này để xác định và sửa chữa mọi lỗi trong thiết kế.

Lập kế hoạch mặt bằng: Trong giai đoạn này, cách sắp xếp các khối netlist trên chip sẽ được xác định.

Vị trí: Bước này bao gồm việc xác định vị trí chính xác của các ô trong mỗi khối.

Định tuyến: Ở giai đoạn này, các kết nối vật lý giữa các khối và ô được thiết lập.

Trích xuất: Giai đoạn này tập trung vào việc đánh giá các đặc tính điện, chẳng hạn như điện trở và điện dung, của các kết nối.

Mô phỏng sau khi bố trí: Mô phỏng cuối cùng này sẽ kiểm tra toàn bộ chức năng của hệ thống, bao gồm tác động của tải kết nối, trước khi thiết kế được gửi đi sản xuất.

Ưu điểm của ASIC

Hiệu suất cao: ASIC được thiết kế riêng cho một ứng dụng cụ thể, cho phép chúng đạt được mức hiệu suất cao hơn so với mạch tích hợp thông thường.
Tiêu thụ điện năng thấp hơn: Vì ASIC được tối ưu hóa cho mục đích sử dụng cụ thể nên chúng thường tiêu thụ ít điện năng hơn so với các loại IC khác thực hiện cùng nhiệm vụ.
Kích thước nhỏ hơn: ASIC có thể tích hợp nhiều chức năng vào một con chip nhỏ, giúp giảm kích thước tổng thể của thiết bị.
Giảm chi phí cho mỗi đơn vị: Mặc dù chi phí phát triển ban đầu cao, nhưng chi phí cho mỗi đơn vị có thể thấp hơn đáng kể khi sản xuất quy mô lớn.
Bảo mật cao hơn: Việc tùy biến khiến các bên khác khó có thể đảo ngược quá trình thiết kế phần cứng, cung cấp thêm một lớp bảo mật.
Ít thành phần hơn: Việc tích hợp nhiều chức năng làm giảm số lượng các thành phần riêng biệt cần thiết, giúp đơn giản hóa quá trình xây dựng và gia tăng độ tin cậy.

Ứng dụng của ASIC

Các đặc điểm riêng biệt của ASIC đã biến đổi ngành sản xuất điện tử, dẫn đến kích thước khuôn nhỏ hơn và mật độ cổng logic lớn hơn trên mỗi chip. Thường được chọn cho các ứng dụng cao cấp, chip ASIC đóng vai trò là core IP trong các vệ tinh, rất quan trọng trong sản xuất ROM và được sử dụng trong vi điều khiển cũng như trong nhiều ứng dụng y tế và nghiên cứu. Hiện nay, một trong những ứng dụng đáng chú ý nhất của công nghệ ASIC là trong khai thác Bitcoin.

Sự khác biệt giữa ASIC và FPGA là gì?

ASIC, hay Mạch tích hợp ứng dụng cụ thể, là chip bán dẫn được thiết kế riêng cho các tác vụ cụ thể, khiến chúng không phù hợp để sử dụng cho mục đích chung. Các mạch này, sau khi được sản xuất, không thể lập trình lại. Ngược lại, FPGA, hay Mảng cổng lập trình trường, có phần cứng có thể lập trình, cho phép linh hoạt và cấu hình lại sau khi sản xuất. Sau đây là một so sánh tốt hơn:


Tính năng	FPGA	ASIC
Tính linh hoạt	Cao (có thể lập trình lại)	Thấp (không thể lập trình lại)
Hiệu suất	Thấp hơn ASIC	Hiệu suất cao hơn cho các nhiệm vụ cụ thể
Tiêu thụ điện năng	Cao hơn so với ASIC	Thấp hơn (tối ưu hóa hiệu quả)
Chi phí phát triển	Thấp (không có chi phí NRE)	Cao (chi phí NRE cao)
Chi phí sản xuất cho mỗi đơn vị	Cao hơn so với ASIC	Thấp hơn (tối ưu hóa hiệu quả)
Thời gian đưa ra thị trường	Ngắn hơn (có thể lập trình lại, thích ứng)	Dài hơn (do thiết kế và chế tạo)
Khả năng lập trình lại	Có (có thể thay đổi thuật toán sau khi sản xuất)	Không (thiết kế cố định)
Chu kỳ sản xuất phù hợp	Quy mô nhỏ đến trung bình	Khối lượng lớn (để bù đắp chi phí NRE)
Chu kỳ thiết kế	Ngắn hơn	Dài hơn

Tóm lại, sự lựa chọn giữa FPGA và ASIC phụ thuộc vào các yêu cầu ứng dụng cụ thể. FPGA được ưa chuộng vì khả năng thích ứng và triển khai nhanh, lý tưởng cho các môi trường đang phát triển, tạo mẫu và sản xuất quy mô vừa đòi hỏi tính linh hoạt. Ngược lại, ASIC vượt trội về hiệu quả, cung cấp hiệu suất được tối ưu hóa và mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, khiến chúng trở thành lựa chọn tốt hơn cho các ứng dụng ổn định, khối lượng lớn, trong đó chi phí ban đầu cao có thể được bù đắp bằng các lợi ích sản xuất quy mô lớn. Quyết định giữa việc sử dụng FPGA hay ASIC cuối cùng phụ thuộc vào các yếu tố như tính linh hoạt cần thiết, nhu cầu về hiệu suất, mức tiêu thụ điện năng và khối lượng sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

ASIC là gì? ASIC là mạch tích hợp được thiết kế và điều chỉnh riêng cho một ứng dụng hoặc mục đích sử dụng cụ thể.
Có những loại ASIC nào? ASIC tùy biến hoàn toàn, ASIC tùy biến một phần và ASIC có thể lập trình được.
Gate Array ASIC là gì? Gate Array ASIC là loại ASIC bán tùy biến với các bóng bán dẫn được xác định trước trên tấm wafer silicon, trong đó nhà thiết kế không thể thay đổi vị trí đặt bóng bán dẫn nhưng có thể thay đổi các kết nối giữa chúng bằng cách sử dụng các lớp kim loại ban đầu của khuôn.
ASIC lập trình được là gì? Một loại ASIC lập trình được đó chính là FPGA.
FPGA là gì? FPGA hay Field-Programmable Gate Array là một công nghệ phần cứng có thể lập trình, cho phép linh hoạt và cấu hình lại sau khi sản xuất.
Ưu điểm của ASIC là gì? Hiệu suất cao, mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, kích thước nhỏ hơn, chi phí cho mỗi đơn vị giảm, tính bảo mật cao hơn và ít thành phần hơn.
ASIC có tốt hơn FPGA không? Quyết định sử dụng FPGA hay ASIC cuối cùng phụ thuộc vào các yếu tố như tính linh hoạt cần thiết, nhu cầu về hiệu suất, mức tiêu thụ điện năng và khối lượng sản xuất.

____
Bài viết liên quan