Was ist eine Anwendung?

Jun 20, 2023

Es gab eine Zeit, in der diskrete Komponenten – vor allem Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, Transistoren und Dioden – für viele elektrische Designprojekte ausreichten. Heutzutage ist es selten, eine Leiterplatte zu sehen, die nicht über mindestens einen IC verfügt, und es ist nicht ungewöhnlich, Platinen zu sehen, die mit ICs unterschiedlicher Form und Größe gefüllt sind. Die enorme Beliebtheit von ICs in der modernen Elektrotechnik hängt eng mit der großen Auswahl an Mikrochips zusammen, die Ingenieure leicht finden, bewerten, kaufen und implementieren können. Allerdings bieten handelsübliche ICs manchmal keinen direkten Weg zu einer optimierten Lösung, und in solchen Fällen könnten Ingenieure einen ASIC in Betracht ziehen.

Es gibt keine offizielle Erklärung zur genauen Bedeutung eines ASIC, und viele Elektronikfachleute sind sich möglicherweise nicht immer darüber einig, was genau ein ASIC ist oder ob eine bestimmte Komponente als ASIC klassifiziert werden sollte. Dennoch denke ich, dass die folgende Definition, die einer alten Ausgabe von Analog Dialogue (S. 12) entnommen ist, einen hervorragenden Ausgangspunkt dafür darstellt, was ein ASIC ist:

[Eine] integrierte Schaltung, die für einen bestimmten Kunden, eine bestimmte Anwendung oder einen bestimmten Markt unter Verwendung zellenbasierter Techniken entwickelt wurde, wobei die erforderlichen Funktionsblöcke aus einer Zellenbibliothek entnommen, miteinander verbunden und simuliert werden, um die gewünschten Systemfunktionen und das gewünschte Leistungsniveau bereitzustellen. Diese Definition schließt ICs aus, die mit herkömmlichen „kundenspezifischen“ Designtechniken entwickelt wurden.

Der erste Teil dieser Definition – ein IC, der für einen bestimmten Kunden, eine bestimmte Anwendung oder einen bestimmten Markt entwickelt wurde – ist ein umfassenderes und möglicherweise allgemeineres Verständnis des Begriffs. Der zweite Teil der Definition ist jedoch hilfreich, da er „ASIC“ von einfachem „kundenspezifischem IC“ unterscheidet. Wenn ASIC dasselbe ist wie benutzerdefinierter IC, warum brauchen wir dann den Begriff ASIC?

Die vollständige Definition identifiziert einen ASIC als einen IC, der angepasste Funktionalität bietet, aber keinen vollständig angepassten Designprozess erfordert. Stattdessen wird die maßgeschneiderte Funktionalität durch einen Prozess erreicht, der dem PCB-Design ähnelt. Beim Zeichnen eines Schaltplans nehmen wir Komponenten aus einer Bibliothek und verbinden sie miteinander. Manchmal überprüfen wir Teile des Schaltplans durch Simulation. Für einen ASIC nehmen Designer Funktionsblöcke aus einer Bibliothek, verbinden sie und überprüfen Funktionalität und Leistung durch Simulation.

Als Beispiel zeigt Abbildung 1 einen ASIC, der einen Standard-DSP-Kern (Digital Signal Processor) mit zusätzlichen Schaltkreisen kombiniert, die für die beabsichtigte Anwendung des Kunden erforderlich sind.

Der Begriff „anwendungsspezifisch“ in einem ASIC kann etwas irreführend sein. Im aktuellen Sprachgebrauch der Elektrotechnik bezieht sich „Anwendung“ normalerweise auf den praktischen Zweck elektrischer Geräte. Mit anderen Worten: Die Anwendung eines elektrischen Geräts beantwortet die Frage: Welche Art von nützlicher Arbeit Soll dieses Gerät funktionieren?

In seinem Einführungsartikel zu Filtern erklärt Nick Davis beispielsweise, dass Filteranwendungen Funkkommunikation, Gleichstromversorgungen und Audioelektronik umfassen. Dies bedeutet, dass Filterschaltungen in Modulen oder Systemen nützlich sind, deren Zweck darin besteht, drahtlose Kommunikation zu ermöglichen, eine zuverlässige Versorgungsspannung zu erzeugen oder hochwertigen Ton wiederzugeben.

Es zeigt sich, dass anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise oft nicht spezifisch für eine bestimmte Anwendung sind oder zumindest nicht auf eine bestimmte Anwendung beschränkt sind. Ein hochintegrierter Datenkonverter-ASIC beispielsweise ist möglicherweise in erster Linie für medizinische Bildgebungsanwendungen konzipiert, es ist jedoch durchaus möglich, dass dasselbe Gerät auch für die industrielle Videoverarbeitung oder ein Mehrkanal-Sensornetzwerk im Automobilbereich nützlich wäre. Wir können uns sogar etwas Allgemeineres vorstellen, beispielsweise einen System-on-Chip (SoC)-ASIC, der ursprünglich für Smartphones entwickelt wurde, aber über genügend Funktionalität verfügt, um in einer Vielzahl von Anwendungen erfolgreich zu sein.

Daher denke ich, dass der Begriff aufgabenspezifischer integrierter Schaltkreis (TSIC) oder funktionsspezifischer integrierter Schaltkreis (FSIC) zutreffender wäre. Allerdings kommen TSIC und FSIC definitiv nicht so reibungslos von der Zunge wie ASIC. Im Allgemeinen ist ein ASIC so konzipiert, dass ein Chip eine bestimmte Kombination von Aufgaben effizient ausführen kann. Auch wenn diese Aufgabenkombination zunächst für eine bestimmte Anwendung benötigt wird, kann es verschiedene andere Anwendungen geben, bei denen dieser ASIC eine effektive und wünschenswerte Alternative zu handelsüblichen ICs wäre.

Das Entwerfen und Verifizieren eines maßgeschneiderten ICs ist selbst mit Hilfe von Funktionsblöcken aus einer Zellbibliothek kein triviales Unterfangen. Wenn ein Designer unter handelsüblichen ICs nicht die erforderliche Funktionalität oder Leistung finden kann, besteht die erste Lösung normalerweise darin, „weiterzusuchen“. Wenn das Problem weiterhin besteht, kann programmierbare Logik – ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) oder ein komplexes programmierbares Logikgerät (CPLD) – eine sinnvolle Option sein.

Die ASIC-Entwicklung kann monate- oder sogar jahrelange Arbeit und einmalige Engineering-Kosten (NRE) in Millionenhöhe erfordern, bevor ein einzelner Chip hergestellt wird. Daher sind großvolumige Projekte mit anspruchsvollen Leistungsanforderungen im Allgemeinen Situationen, in denen das Management den Zeit- und Geldaufwand für die ASIC-Entwicklung rechtfertigen kann. Bei ausreichendem Volumen kann ein ASIC tatsächlich wirtschaftlich vorteilhaft sein. Die Gesamtproduktionskosten sinken, da der Rückgang der Komponenten- und Montagekosten die Hinzufügung der amortisierten ASIC-Entwicklungskosten mehr als ausgleicht. Eine beispielhafte Aufschlüsselung ist in Abbildung 3 zu sehen.

Die folgende Liste vermittelt die wichtigsten Teile eines ASIC-Designprojekts.

Diese Grafik vermittelt die High-Level-Architektur eines von Intel und Google entwickelten ASIC. Es handelt sich um ein „programmierbares Netzwerkgerät“ für „Cloud- und Kommunikationsdienstanbieter“. Weitere Informationen finden Sie in diesem Artikel. Dies ist nur ein Beispiel für ein Gerät, das den ASIC-Designprozess durchlaufen hat

Alles in allem sind ASICs eine entscheidende Ergänzung für leistungsstarke und großvolumige elektronische Geräte, die mit handelsüblichen Komponenten nicht optimal gestaltet werden können.

Waren Sie schon einmal an der ASIC-Entwicklung beteiligt? Oder haben Sie persönliche Erfahrungen mit der Analyse, die erforderlich ist, um zu entscheiden, ob ein ASIC für ein bestimmtes Projekt wirtschaftlich sinnvoll wäre? Hinterlasse einen Kommentar und lass es uns wissen!