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Anwendungsspezifische integrierte Schaltung
Eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (englisch application-specific integrated circuit, ASIC, auch Custom Chip) ist ein integrierter Schaltkreis …
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Grundidee und Herstellung
Eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (englisch application-specific integrated circuit, ASIC; auch Custom Chip) ist ein integrierter Schaltkreis für ein eng begrenztes Anwendungsfeld, zum Beispiel für eine einzelne Produktlinie. Nach der Herstellung ist seine elektronische Funktion nicht mehr veränderbar.
ASICs werden nach Anforderungen eines Kunden gefertigt und normalerweise nur an diesen geliefert. Wird ein ursprünglich als ASIC entwickelter Baustein frei am Markt verkauft, wird er häufig als anwendungsspezifisches Standardprodukt (ASSP) bezeichnet. Die Herstellung verursacht zunächst hohe Einmalkosten, etwa für Fotomasken; die Kosten je weiterem Chip sind dagegen gering.
Aufbau, Entwurf und Abgrenzung
Rein digitale ASICs bündeln viele Logikfunktionen, die sonst aus Standardbausteinen wie Prozessoren oder Bausteinen der Logikfamilie 74xx aufgebaut werden müssten. Mixed-Signal-ASICs verbinden digitale und analoge Funktionen. Analoge Schaltungen wie Analog-Digital-Wandler, PLLs, rauscharme Verstärker oder Hochstromtreiber bestimmen dabei die benötigte Zieltechnologie beziehungsweise Strukturgröße.
ASICs werden besonders in Geräten großer Serien eingesetzt, um Kosten zu senken. Ihre Funktion muss vom Endkunden vor der Fertigung eindeutig festgelegt werden. Das unterscheidet sie von PLDs und Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), deren Schaltung später verändert werden kann. Ein System-on-a-Chip (SoC) kann Mikroprozessoren oder Signalprozessoren enthalten und erhält durch die darauf laufende Software eine gewisse Flexibilität.
Entwurf, Verifikation und Produktion werden durch EDA-Software (Electronic Design Automation) unterstützt. Vor der Endfertigung wird die Chipfunktion mit Schaltungssimulation geprüft.
Vergleich mit CPUs und ASIPs
CPUs wie Intel Pentium oder AMD Athlon sind universelle integrierte Schaltungen und können viele verschiedene Aufgaben bearbeiten. Für eine bestimmte Anwendung sind sie jedoch weniger optimal als ein spezialisierter Baustein: Energieverbrauch, Chip-Fläche, Taktfrequenz und weitere Zielparameter können höher sein; der Datendurchsatz ist meist niedriger.
Eine CPU, die gezielt für eine bestimmte Aufgabe entworfen oder optimiert wird, heißt application-specific instruction-set processor (ASIP). Solche Geräte sind typischerweise ebenfalls SoCs.
Arten von ASICs
ASIC-Lösungen unterscheiden sich darin, wie viel der Kunde selbst festlegt und wie viel bereits vom Hersteller vorgegeben ist:
- Vollständig kundenspezifische ASICs nutzen vom Kunden auf Transistorebene entworfene Logikblöcke. Alle Strukturierungsebenen sind produktspezifisch.
- Teilweise kundenspezifische ASICs ergänzen diesen Ansatz durch Standard- oder Makrozellen des Herstellers, etwa SRAM-Blöcke.
- Standardzellen-ASICs bestehen aus bereitgestellten Logikzellen des Herstellers.
- Megazellen-ASICs sind größere, komplexere Varianten mit Standardfunktionen wie RAM-Blöcken oder MPEG-Codern.
- Gate-Array-ASICs enthalten vorkonfigurierte Standardgatter oder -zellen, die nur noch in der Metallisierungsebene verbunden werden.
- Sea-of-Gates-ASICs ähneln Gate-Arrays, besitzen aber mehrere kundenspezifische Metallisierungsebenen. Dadurch sind komplexere Verschaltungen und dichtere Transistoranordnungen möglich.
Weitgehend vorgefertigte Chips sind kostengünstig, aber kaum für die konkrete Anwendung optimiert. Vollständig kundenspezifische ASICs lassen sich auf die Anwendung und Fertigungstechnik optimieren, benötigen jedoch sehr hohen Entwurfs- und Verifikationsaufwand. Teilweise angepasste FPGAs werden manchmal ebenfalls ASICs genannt: Bereits bei der Herstellung angepasste Baugruppen verringern ihren Einsatzbereich, können aber für die jeweilige Anwendung schnellere und günstigere Schaltungen ermöglichen.
Vorteile, Nachteile und Einsatzbeispiele
Durch die Anpassung an ein bestimmtes Problem arbeiten ASICs sehr effizient und um ein Vielfaches schneller als eine funktionsgleiche Softwarelösung in einem Mikrocontroller. In Smartphones kann dies bei steigender Rechenleistung den Stromverbrauch senken und die Akku-Laufzeit erhöhen. Als Beispiele nennt der Artikel den optimierten M1-Prozessor von Apple sowie historisch Prozessoren der ehemaligen Centaur, die seit 1999 Teil von VIA ist. Die Exklusivität von ASICs erschwert zudem Nachbauten.
Nachteilig sind bei kleinen und mittleren Stückzahlen die hohen Investitionskosten. Außerdem ist die Entwicklung länger als bei diskreten Bauteilen, Standard-ICs oder programmierbaren Bauteilen wie FPGAs. Reparaturen können schwierig sein: Nach dem Produktionsende eines Geräts werden die ASICs meist nicht mehr hergestellt; bei aufgebrauchten Restbeständen lassen sie sich oft nur aus anderweitig defekten Geräten gewinnen.
ASICs kommen in vielen Geräten vor, vom Radiowecker bis zum Hochleistungsrechner. Sie werden bei hohen Stückzahlen entwickelt, weil sie gegenüber Standardbausteinen Kosten sparen und meist platz-, verbrauchs-, kosten- oder leistungsoptimiert arbeiten. Genannte Beispiele sind Grafikprozessoren, der Agnus im Commodore Amiga, Sinclair Computer Logic sowie die Anwendung kryptographischer Algorithmen in Computersystemen, einschließlich Mining Rig.
