2021 年 6 月，谷歌用自产芯片替换了数百万个英特尔的 CPU。该文章提供了与新的ASIC的开发概述通过谷歌团队的帮助，以优化YouTube的服务器的性能。定制的 ASIC（芯片）而不是通用 ASIC (CPU) 是 Google 专门设计的，可以更快地执行一些特定的任务。在本文中，我们将探索 ASIC 的世界并了解它们的类型和优势。

什么是ASIC？

图 1 – ASIC 示例

专用集成电路，简称 ASIC，是为特定用途或应用而创建的芯片，而不是用于通用用途。它们通常使用硅技术制造。由于它们的独特性，它们有多种口味和类型。

ASIC 可以通过多种方式制造。它们可以从头开始创建，以满足非常特定的需求或应用，方法是创建具有所有所需组件的单个 IC（由此产生的 IC 称为SoC 或片上系统）。ASIC 通常使用硬件描述语言（如Verilog或VHDL）进行编码。

在我们深入研究 ASIC 技术并找出其优点和可能的缺点之前，我们必须回顾历史并了解这一切的起点。

ASIC 的历史

早期，ASIC 开始是使用门阵列技术的电路，1967 年通过飞兆半导体公司的 Micromatrix 系列引入了双极 DTL（二极管-晶体管逻辑）和 TTL（晶体管-晶体管逻辑）门阵列。

在 CMOS（互补金属氧化物半导体）技术上市后，ASIC 的尺寸开始增大，1974 年 Robert Lipp 为国际微电路公司开发了第一个 CMOS 门阵列。

MOS 技术也在 1970 年代被 Fairchild 和 Motorola 标准化，当时 Micromosaic 和 Polycell 标准单元被创建。这项技术后来才被 VLSI Technology 从 1979 年开始成功商业化，而 LSI Logic 从 1981 年开始成功商业化。

1981 年通过 ZX81 8 位芯片和 1982 年通过 ZX Spectrum 个人计算机为大众市场用户引入了成功的商业可行应用程序。

在这个时期，门阵列由几千个门组成，现在被称为中规模集成。通过改变金属和/或多晶硅互连掩模来完成定制。

ASIC 变体

图 2 – ASIC 的类型

至于ASIC的制造，可以选择三种路线：标准单元设计、门阵列/半定制设计和全定制设计。随着我们从标准单元设计转向完全定制化设计，创建和制造 ASIC 所需的材料成本和时间急剧增加。在流程开始之前必须考虑到这一点，我们需要考虑的一些因素是最终产品的商业价值、对芯片的实际要求以及该解决方案是否是解决方案的明确答案。问题与否。

图 3 – 标准单元设计 ASIC 的设计流程

标准单元设计使用 HDL（硬件描述语言，如 Verilog 和 VHDL）来描述所需的逻辑，然后通过一系列步骤，最终的 ASIC 是制造商。

制作标准单元设计 ASIC 的通常阶段是：

1. 需求工程，这是需求分析的逻辑延续，由工程师团队完成，他们浓缩了所需的所需功能。

2. RTL（寄存器传输器）设计。在此阶段，一组设计人员编写 ASIC 逻辑所需的 HDL 代码。

3. 功能验证。使用一套测试方法，逻辑在写入 ASIC 之前进行验证，因为生成的 IC 不再是可编程的。逻辑错误的代价非常高，需要避免，因此绝对建议进行完整的测试覆盖。

4. 逻辑综合。在这一步中，RTL 设计被赋予生命，被打印到标准单元和它们之间的连接中，所有这些都形成了门级网表。

5. 放置。标准单元被放置在它们在 IC 上的相应位置，例如最佳放置。通过使用一些特定的约束来确保最优性。

6. 路由。电子布线工具用于将网表转换为足够优化的电气连接网络，该网络连接所有指定的标准单元。结果通常是一个文件，可以作为光掩模打印出来，然后用于在晶圆厂或代工厂蚀刻实际的物理 IC。

7. 登出。完成最终布局后，将进行一系列计算以确定寄生电阻和电容并确定延迟信息（使用静态时序分析）。当所有计算完成并验证有效时，给出签收并且可以将光掩模发送到晶圆厂进行生产。

这些步骤形成了所谓的ASIC 设计流程，通过坚持这一点，最终设备将始终正确实施，除非在制造代工厂或运输过程中引入缺陷。

至于门阵列和半定制设计，它具有超出标准单元的某些优势，但代价是设计和开发周期更长。半定制方法是快速设计时间和性能之间的折衷。

今天，门阵列 ASIC 通常以结构化 ASIC 的形式出现，其中包括一个大型 CPU、数字信号处理器、外围设备、标准接口、静态 RAM 和一个可重新配置/可编程的未提交逻辑块。

全定制设计通常是成本最高的 ASIC 开发过程，因为设计必须从半导体级别开始，并使用 HDL 来描述 ASIC 的每一层。英特尔、AMD 和 Nvidia 等处理器设计人员使用这种方法来创建进一步优化的 ASIC。