三、专用集成电路
专用的集成电路(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)是一种为专门目的而设计的集成电路。是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。ASIC的特点是面向特定用户的需求,ASIC在批量生产时与通用集成电路相比具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。
ASIC分为全定制和半定制。全定制设计需要设计者完成所有电路的设计,包括芯片设计的所有流程,因此需要大量人力物力,灵活性好但开发效率低下。如果设计较为理想,全定制能够比半定制的ASIC芯片运行速度更快。半定制ASIC使用准逻辑单元(Standard Cell),设计时可以从标准逻辑单元库中选择SSI(小规模集成电路,如门电路)、MSI(中规模集成电路,如加法器、比较器等)、数据通路(如ALU、存储器、总线等)、存储器甚至系统级模块(如乘法器、微控制器等)和IP核,这些逻辑单元已经布局完毕,而且设计得较为可靠,设计者可以较方便地完成系统设计。
当今ASIC的设计方向已经越来越多地使用可编程逻辑器件来构造,开发门槛和难度不断降低,流程不断简化,成本不断下降,业务也开始变得丰富且多元化。目前ASIC已经走向了深度学习、人工智能、第五代移动通信技术(5G)等高新技术领域,在可编程逻辑器件两大巨头Xilinx和Altera的推动下,可以预见未来的ASIC设计将是可编程逻辑器件(尤其是现场可编程门阵列,FPGA)的天下。
四、可编程逻辑器件
可编程逻辑器件(Programmable Logic Device, PLD)是一种通用集成电路,它是ASIC的一个子集,逻辑功能可以按照用户对器件编程来确定。一般的PLD的集成度很高,足以满足设计一般的数字系统的需要。这样就可以由设计人员自行编程而把一个数字系统“集成”在一片PLD上,而不必去请芯片制造厂商设计和制作ASIC芯片了,因为如果芯片需求量不大,设计制造ASIC的单片成本是很高的。
PLD与一般数字芯片不同的是:PLD内部的数字电路可以在出厂后才规划决定,甚至可以无限制改变,而一般数字芯片在出厂前就已经决定其内部电路,无法在出厂后再次改变,事实上一般的模拟芯片、通信芯片、微控制器也都一样,出厂后就无法再对其内部电路进行更改。最近闹得沸沸扬扬的Intel公司的芯片漏洞事件,就是因为CPU的内部电路已经无法更改,所以只能设计新的CPU芯片来解决,或是损失一些性能用软件修补的方法来弥补。
五、可编程逻辑器件的发展历程
最早的可编程逻辑器件(PLD)是1970年制成的可编程只读存储器(PROM),它由固定的与阵列和可编程的或阵列组成。PROM采用熔丝技术,只能写一次,不能擦除和重写。随着技术的发展,此后又出现了紫外线可擦除只读存储器(UVEPROM)和电可擦除只读存储器(EEPROM)。由于其价格便宜、速度低、易于编程,适合于存储函数和数据表格。
可编程逻辑阵列(PLA)于20世纪70年代中期出现,它是由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成,但由于器件的价格比较贵、编程复杂、资源利用率低,因而没有得到广泛应用。
可编程阵列逻辑(PAL)是1977年美国MMI公司率先推出的,它采用熔丝编程方式,由可编程的与阵列和固定的或阵列组成,采用双极性工艺制造,器件的工作速度很高。由于它的设计很灵活,输出结构种类很多,因而成为第一个得到普遍应用的可编程逻辑器件
通用阵列逻辑(GAL)是1985年Lattice公司最先发明的可电擦写、可重复编程、可设置加密位的PLD。GAL在PAL的基础上,采用了输出逻辑宏单元形式(EECMOS)工艺结构。在实际应用中,GAL对PAL仿真具有百分之百的兼容性,所以GAL几乎完全代替了PAL,并可以取代大部分标准SSI、MSI集成芯片,因而获得广泛应用。
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