介绍
随着公司和设计团队努力为各种应用创建专门的解决方案，专用集成电路 (ASIC) 设计已成为技术行业日益重要的一个方面。在这份综合指南中，我们将探讨 ASIC 设计，深入了解从概念到生产的整个过程。本文面向有兴趣了解 ASIC 设计流程的读者，无论他们是行业专业人士、学生，还是只是对该技术感到好奇。
在本指南中，我们将涵盖与 ASIC 系统设计相关的各种主题，包括 ASIC 与其他集成电路之间的主要区别、ASIC 设计过程的阶段、制造注意事项以及测试和验证程序。我们还将讨论 ASIC 设计人员可用的工具和资源以及该领域的当前趋势和未来发展。读完本文后，您将对 ASIC 设计所涉及的原理和实践有深入的了解，为进一步探索和学习奠定基础。
什么是 ASIC 设计？
专用集成电路 (ASIC) 设计是指创建定制集成电路以执行特定应用的特定功能的过程。与现场可编程门阵列 (FPGA) 和微控制器等通用集成电路不同，ASIC 在设计时只考虑单一用途，这使得它们能够为预期任务提供卓越的性能、功效和成本效益。
ASIC 的类型和分类
ASIC 有不同类型，每种类型都有不同程度的定制和设计复杂性。
全定制电路
全定制 ASIC 可实现最高水平的定制和优化。设计人员可以完全控制芯片的各个方面，包括晶体管尺寸、布局和互连。这种级别的定制可实现最佳性能、能效和面积使用。然而，全定制 ASIC 需要大量的设计工作，并且上市时间较长。
可编程逻辑器件 (PLD) 是一类具有可配置逻辑组件和互连功能的集成电路。用户可以对这些设备进行编程，以创建适合特定需求的自定义逻辑功能。FPGA 是一种更先进的 PLD，可提供附加功能，包括嵌入式存储块、数字信号处理块和高速 I/O 功能，从而支持更复杂和高性能的应用。
半定制 ASIC
半定制 ASIC，也称为标准单元 ASIC，使用称为标准单元的预先设计的构建块来创建所需的功能。这些标准单元包括常用的逻辑门、存储元件和其他功能组件。半定制 ASIC 在定制和设计复杂性之间实现了平衡，使其成为许多应用的流行选择。与全定制 ASIC 相比，它们需要更少的设计工作，但可能无法实现相同级别的优化。
不可编程半定制 ASIC 包括两大类：基于门阵列的设计和基于标准单元的设计。
基于门阵列的 ASIC 设计方法涉及包含未使用的晶体管阵列的预制硅晶圆。设计人员可以通过添加定制金属互连层来连接晶体管来创建所需的功能。基于门阵列的 ASIC 可进一步分为三种类型：
通道门阵列： 该设计涉及预制硅晶圆以及未使用的晶体管阵列。定制金属互连层用于连接晶体管，形成所需的功能。这种方法提供了定制和开发时间之间的平衡。
结构化门阵列（嵌入式阵列）：与通道门阵列类似，结构化门阵列具有更高的集成度。它们包含预制组件和可定制元素的组合，与传统通道门阵列相比，提供更好的性能和定制潜力。
无通道门阵列：通道门阵列的这种演变消除了逻辑块之间的预定义通道，从而提高了面积利用率和性能。这种设计使组件的放置和互连具有更大的灵活性。
另一方面，基于标准单元的 ASIC（不可编程半定制 ASIC）利用预先设计的构建块（称为标准单元）来创建所需的功能。标准单元包括常用的逻辑门、存储元件和其他功能组件。这种方法在定制和设计复杂性之间提供了平衡，使其成为各种应用的流行选择。通过利用标准单元，设计人员可以减少开发时间和工作量，同时仍然实现高水平的定制。
ASIC 的优点
了解 ASIC 的优点和缺点对于确定它们是否是给定项目的正确选择至关重要。在各种应用中使用 ASIC 有几个优点，包括：
性能： ASIC 针对特定任务进行了优化，这意味着与通用集成电路相比，它们可以提供更高的性能。
集成： ASIC 能够将多种功能和组件集成到单个芯片上，从而降低系统的整体复杂性和尺寸。这对于具有严格尺寸限制的紧凑型设备和系统特别有利。
定制： ASIC 提供高水平的定制功能，使设计人员能够根据其应用的具体要求创建芯片。这可以提高效率并更好地满足系统需求。
可靠性： 由于其专门的设计以及将组件集成在单个芯片上，与使用多个现成组件构建的系统相比，ASIC 可以提供更高的可靠性。这对于关键任务应用程序尤其重要。
知识产权 (IP) 保护： ASIC 可以更好地保护专有技术和知识产权，因为它们比基于软件或基于 FPGA 的解决方案更难进行逆向工程。
降低电磁干扰 (EMI)：通过在单个芯片上集成多个组件并优化布局，ASIC 可以降低 EMI，从而提高整体系统性能并符合监管标准。
功效： 由于 ASIC 的专业性，其功耗比通用同类产品低，因此非常适合能源敏感型应用。
规模化成本效益： 尽管 ASIC 的初始开发成本可能很高，但随着产量的增加，单位成本会显着降低，从长远来看，它们更具成本效益。
ASIC 的缺点
尽管有这些优点，ASIC 也有一些缺点：
开发成本： ASIC 芯片设计和制造所需的初始投资可能相当高，特别是对于小批量生产。
上市时间： ASIC 电路设计过程可能很长，与使用现成组件相比，这可能会导致上市时间较长。
灵活性： 与 FPGA 和微控制器不同，ASIC 是为特定应用而设计的，不能为其他目的重新编程或重新配置。
在接下来的部分中，我们将更深入地研究 ASIC 设计过程，以便更好地理解所涉及的各个阶段以及整个过程中需要考虑的关键因素。
ASIC 设计流程
ASIC 逻辑设计过程是一个复杂且迭代的过程，涉及多个阶段，每个阶段都有自己的一系列挑战和考虑因素。彻底了解这些阶段对于成功地将 ASIC 设计规范从概念转化为生产至关重要。ASIC开发过程的主要阶段包括以下几个：
规格及要求
架构和高层设计
RTL 设计和设计验证
逻辑综合与优化
物理设计和布局
签核和流片
1、规格及要求
ASIC 设计周期的第一阶段涉及定义项目的规范和要求。这包括概述所需的功能、性能目标、功耗目标和其他关键参数。收集所有相关利益相关者（例如系统架构师、硬件设计师、软件开发人员、ASIC 设计工程师和产品经理）的意见至关重要，以确保最终的 ASIC 满足预期应用的需求。
2. 架构和高层设计
一旦规范和要求确定，下一步就是创建 ASIC 架构和高层设计。这涉及选择适当的组件，例如处理器、内存块和通信接口，以及定义它们之间的互连。在此阶段，设计人员必须仔细考虑性能、功耗和面积之间的权衡，以实现目标应用的最佳平衡。
3. RTL设计和设计验证
寄存器传输级 (RTL) 设计阶段涉及将高级架构转换为硬件描述语言 (HDL)，例如 Verilog、System Verilog 或 VHDL。该表示法描述了 ASIC 在寄存器、组合逻辑和时钟域方面的行为。RTL 设计之后进行验证，这需要在测试台上对设计进行模拟和测试，以确保其满足指定的要求和功能。设计验证是设计过程中的关键步骤，因为它有助于在进入下一阶段之前识别、解决和调试潜在问题。
4. 逻辑综合与优化
在综合阶段，RTL 设计被转换为门级网表，它代表 ASIC 的晶体管、逻辑门和互连。此过程涉及将 RTL 代码映射到所选半导体代工厂提供的特定技术库或算法。生成门级网表后，设计人员将进行优化以满足所需的性能、功耗和面积目标。这可能涉及调整设计、修改技术库或微调综合设置。
5. 物理设计和布局
物理设计阶段涉及将门级网表转换为可由半导体代工厂制造的物理布局。此过程包括 ASIC 内各种组件和互连的布局规划、布局和布线。在此阶段，设计人员必须在放置和布线组件的同时考虑信号完整性、配电和热管理等因素，以确保最终产品稳健可靠。
6. 签核和流片
ASIC 设计过程的最后阶段是签核和流片。这包括根据代工厂提供的设计规则验证物理布局，以及执行布局与原理图 (LVS) 检查，以确保布局准确地代表预期设计。一旦设计通过了这些检查，就会被“流片”并发送到铸造厂进行制造。
FPGA（现场可编程门阵列）设计技术涉及可编程逻辑器件的配置，可以作为 ASIC 开发的先驱，允许设计人员在投入更昂贵和耗时的 ASIC 生产流程之前对其设计进行原型设计和验证。
专用集成电路制造
一旦 ASIC 设计完成并流片，下一步就是制造集成电路。该过程涉及多个阶段，包括晶圆制造、芯片制备、封装和组装。选择正确的制造技术和代工合作伙伴对于实现 ASIC 所需的性能、功效和成本目标至关重要。
晶圆制造
晶圆制造是使用一系列光刻、蚀刻和沉积步骤在硅晶圆上创建 ASIC 的过程。制造技术（通常称为工艺节点（例如，7nm、14nm、28nm））的选择对最终 ASIC 的性能、功耗和面积具有重大影响。较小的工艺节点通常提供更高的性能和低功耗，但制造复杂性和成本也会增加。
模具准备
晶圆制造完成后，各个 ASIC 芯片通过称为切割的工艺从晶圆上分离出来。然后对每个芯片进行检查和测试，以确保其满足指定的要求和性能目标。有缺陷的模具被丢弃，而功能良好的模具则进入包装和组装阶段。
包装和组装
封装阶段涉及将 ASIC 芯片封装在定制设计的保护性外壳中，该外壳提供机械支撑、热管理以及与外界的电气连接。有多种封装技术可用于 ASIC，每种技术都有自己的优点和缺点。一些最常见的封装技术包括：
引线键合： 该技术涉及使用细线将 ASIC 芯片连接到封装基板。引线键合封装成本相对较低且应用广泛，但在电气性能和可扩展性方面可能存在局限性。
倒装芯片：在倒装芯片封装中，ASIC 芯片被上下翻转并使用焊料凸块连接到封装基板。该技术比引线键合技术提供更好的电气性能和更小的外形尺寸，但成本和复杂性可能更高。
硅通孔 (TSV)： TSV 封装涉及通过硅芯片本身创建垂直电气连接，从而能够创建 3D 堆叠集成电路。该技术在性能、能效和外形尺寸方面具有显着优势，但比其他封装选项更复杂、更昂贵。
封装技术的选择取决于性能要求、外形尺寸限制和成本考虑等因素。
在组装过程中，封装的 ASIC 被安装到印刷电路板 (PCB) 上并连接到其他组件，例如无源器件、连接器和散热器。
选择正确的封装和组装合作伙伴对于实现 ASIC 所需的性能、可靠性和成本目标至关重要。选择合作伙伴时要考虑的关键因素包括他们的经验、技术能力、能力和行业业绩记录。
在接下来的部分中，我们将讨论制造过程之后的测试和验证程序，以及 ASIC 设计人员可用的工具和资源。
测试和验证
ASIC 制造完成后，必须进行彻底的测试和验证，以确保最终产品满足指定的要求、功能和性能目标。此过程涉及功能测试、性能测试和可靠性测试的组合，以便在 ASIC 部署到目标应用程序之前识别并解决任何潜在问题。
功能测试
功能测试是验证 ASIC 是否正确执行其预期功能的过程。这涉及将一组输入激励应用于 ASIC，并将结果输出与规范中定义的预期行为进行比较。功能测试可以在各个级别进行，包括芯片级、封装级和系统级，具体取决于 ASIC 和目标应用的复杂性。
性能测试
性能测试评估 ASIC 在各种操作条件下的性能特征，例如处理速度、功耗和热性能。此类测试对于确保 ASIC 满足规范中概述的性能目标并能够在预期应用环境中可靠运行至关重要。根据项目的具体要求，性能测试可能涉及模拟、台架测试和系统内测试的组合。
可靠性测试
进行可靠性测试是为了评估 ASIC 在各种应力条件下（例如温度、电压和机械应力）的长期稳定性和鲁棒性。此类测试有助于识别潜在的故障机制并评估 ASIC 的预期寿命。可靠性测试通常涉及加速寿命测试，其中 ASIC 会受到极端条件的影响，以在更短的时间内模拟长时间的运行。
通过进行全面的测试和验证程序，设计人员可以确保最终的 ASIC 产品满足指定的要求，并在目标应用中提供所需的性能、功效和可靠性。
在以下部分中，我们将探讨 ASIC 设计人员可用的工具和资源，以及该领域的当前趋势和未来发展。
ASIC 设计工具和资源
为了成功设计和开发 ASIC，设计团队需要使用各种工具和资源来帮助他们完成从概念到生产的复杂过程。这些工具和资源在 ASIC 设计过程的每个阶段都发挥着至关重要的作用，使设计人员能够有效地创建、验证、优化和验证其设计。一些流行的 ASIC 设计工具和资源包括：
电子设计自动化 (EDA) 工具： EDA 工具是可自动执行 ASIC 设计流程各个方面（例如原理图捕获、仿真、布局和验证）的软件应用程序。流行的 EDA 工具供应商包括 Cadence、Synopsys 和 Mentor Graphics。
硬件描述语言 (HDL)： HDL（例如 Verilog 和 VHDL）是用于描述数字电路的行为和结构的编程语言，使设计人员能够创建和验证 RTL 设计。
知识产权 (IP) 核： IP 核是预先设计和预先验证的功能块，可以集成到 ASIC 设计中，以节省时间并降低开发成本。常见的 IP 核包括处理器、内存块和通信接口。
设计库： 设计库包含标准单元、内存块和其他针对特定制造技术进行优化的组件的集合。这些库由半导体代工厂提供，对于综合和物理设计阶段至关重要。
验证和验证工具： 这些工具帮助设计人员确保他们的设计满足指定的要求和功能。示例包括仿真工具、形式验证工具和硬件仿真平台。
选择 ASIC 设计工具和资源时，重要的是要考虑与所选制造技术的兼容性、易用性、可扩展性以及供应商的支持等因素。此外，设计人员还应评估工具处理其项目的特定要求和挑战的能力，例如性能、功耗和面积限制。
在接下来的部分中，我们将讨论 ASIC 设计领域的当前趋势和新兴技术，以及这些发展给设计人员带来的挑战和机遇。
ASIC 设计的未来
随着技术的不断发展，ASIC 设计也正在经历重大的变化和进步。当前趋势和新兴技术正在塑造 ASIC 设计的未来，为设计人员带来了挑战和机遇。其中一些进展包括：
先进工艺节点
对更小工艺节点（例如 5nm、3nm 及以上）的持续推动正在推动 ASIC 性能和能效的提高。然而，这些先进节点也带来了制造复杂性和成本的增加，以及与信号完整性、配电和可靠性相关的新设计挑战。
异构集成
异构集成涉及将不同类型的组件（例如处理器、内存和传感器）组合到单个片上系统 (soc) 中，以实现更好的性能和功能。这一趋势正在推动先进封装技术的发展，例如 2.5D 和 3D 集成，从而能够创建具有多种功能的高性能、紧凑型 ASIC。
人工智能和机器学习
人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 应用的兴起正在推动对专用 ASIC（例如 AI 加速器和神经网络处理器）的需求，这些专用集成电路可以为这些计算密集型任务提供高性能和高能效。这一趋势还推动了新设计方法和工具的开发，帮助设计人员为 AI 和 ML 应用创建和优化 ASIC。
开源硬件和工具
人们对开源硬件和工具（例如精简指令集计算 V (RISC-V) 指令集架构和开源 EDA 工具）日益浓厚的兴趣，为设计人员在 ASIC 设计项目中提供了更多选择和灵活性。这一趋势有可能降低 ASIC 设计界的准入门槛、降低成本并促进创新。
安全与信任
随着安全和信任在电子系统中的重要性不断增长，ASIC 设计人员越来越注重将基于硬件的安全功能（例如安全启动、加密和身份验证）融入到他们的设计中。这一趋势正在推动新设计方法、工具和 IP 核的开发，帮助设计人员创建安全且值得信赖的 ASIC。
通过及时了解这些趋势和新兴技术，ASIC 设计人员可以更好地应对挑战并抓住快速发展的 ASIC 设计格局带来的机遇。
常见问题 (FAQ)
ASIC 和 FPGA 有什么区别？
ASIC 是为特定应用量身定制的集成电路，而 FPGA 是可重新编程的集成电路，可以配置为执行各种功能。ASIC 通常比 FPGA 提供更高的性能和更低的功耗，但开发成本更高，上市时间更长。
设计和制造 ASIC 需要多长时间？
ASIC 设计过程可能需要几个月到几年的时间，具体取决于设计的复杂性和可用资源。制造交货时间也可能有所不同，通常从几周到几个月不等，具体取决于铸造厂的产能和特定的制造技术。
选择半导体代工厂进行 ASIC 制造时需要考虑哪些关键因素？
选择代工厂时要考虑的重要因素包括他们的经验、技术能力、产能和行业业绩记录。此外，设计人员应评估代工厂对所选制造技术的支持及其满足 ASIC 性能、功耗和成本目标的能力。
ASIC 设计过程中存在哪些常见挑战？
ASIC 设计过程中的常见挑战包括满足性能、功耗和面积目标；管理设计复杂性；确保信号完整性和配电；并解决可靠性和可制造性问题。
我如何了解有关 ASIC 设计的更多信息？
为了进一步了解 ASIC 设计，请考虑参加课程、参加研讨会或会议、阅读书籍和文章以及参与与该领域相关的在线论坛和社区。此外，参与实践项目并与经验丰富的专业人士合作可以提供宝贵的见解和实践经验。
结论
在这本综合指南中，我们探索了 ASIC 设计的世界，涵盖了 ASIC 与其他集成电路之间的差异、ASIC 设计过程的阶段、制造注意事项以及测试和验证程序等主题。我们还讨论了 ASIC 设计人员可用的工具和资源，以及该领域的当前趋势和未来发展。
了解 ASIC 设计所涉及的原理和实践对于任何对此领域感兴趣的人都至关重要。随着技术的不断发展，ASIC 在各种应用中的重要性预计只会越来越大。通过在 ASIC 设计方面打下坚实的基础，您将能够更好地应对这个快速变化的环境所带来的挑战和机遇。
