Chip Typen

Application Specific IC (ASIC)
Wie zuvor beschrieben wird ein ASIC vom Anwender des Chips selbst spezifiziert, implementiert und getestet. Der Chip kann nur in den Produkten des Anwenders eingesetzt werden, da der Chip speziell an die Bedürfnisse dieser Produkte angepaßt ist. Nur die Produktion der Chips wird bei einem Halbleiterhersteller durchgeführt.

Customer Specific IC (CSIC)
Ein CSIC ist eine ähnliche Form wie ein ASIC. Zusätzlich werden IPs (Intellectual Properties, Macro-Funktionalitäten) in die Schaltung integriert, die der Halbleiterhersteller seinen Kunden bereitstellt. Unter einem IP versteht man ein komplexes Macro (z.B. ein Ethernet-Controller, CPU-Block, ), das eine bestimmte Funktionalität komplett abdeckt.
Die in den meisten Chips vorkommenden Makros wie z.B. RAMs, fallen im Allgemeinen nicht unter den Begriff IP.

Application Specific Standard Product (ASSP)
ASSP bezeichnet einen Chip, die auf der einen Seite für eine spezielle Anwendung entwickelt worden ist, aber dennoch so allgemein in seiner Funktion gehalten ist, daß er von möglichst vielen Kunden in deren Produkte eingesetzt werden kann.
Die Spezifikation der Funktionen und der Architektur eines ASSPs als auch dessen Implementierung liegt in der Verantwortung des Halbleiterherstellers.
Ein Beispiel hierzu sind USB Bausteine (Universal Serial Bus) die inzwischen häufig als Schnittstelle für PC-Peripherie Verwendung findet. In diesem Beispiel ist die Anwendung immer eine 'USB Peripherieschnittstelle', während die mögliche Produktpalette - und damit der Kundenkreis - sehr umfangreich sein kann. Eine USB-Schnittstelle, und damit ein USB-ASSP, kann im PC selbst, in Druckern, Scannern, Kameras, Kartenlesegeräten und in externen Laufwerken eingesetzt werden. Ein ASIC zur Aufbereitung eines CD-ROM- oder DVD-Datenstromes wird im Gegensatz zu den ASSP's nur in einem CD-ROM- oder DVD-Laufwerk seine Anwendung finden.

Customer Specific Standard Product (CSSP)
CSSP ist eine Mischform, die aus einem ASSP abgeleitet wird. Der Halbleiterhersteller modifiziert dazu ein vorhandenes ASSP entsprechend der Wünsche des Kunden, so daß dieses auf die speziellen Anforderungen des Kundenproduktes zugeschnitten ist.

Structured ASIC
Sturctured ASIC stellt eine Technologie zu Verfügung, die schon bestimmte Elemente und Grundfunktionalitäten quasi auf dem Chip für den Anwender vorimplementiert hat, mit denen sich die Entwicklungszeiten reduzieren lassen. Teile der Entwicklungskosten können vor allem dadurch eingespart werden, daß die unteren Produktionsmasken für alle Chips dieser Technologie und gleicher Größe identisch sind. Nur einige obere Produktionsmasken des ASICs werden entsprechend der Schaltung angepaßt.
Beispiele für vorimplementierte Elemente sind vollständig ausbalacierte Clock Trees, RAMs (u.U. in unterschiedlichen Größen), PLLs, Scan und Boundary Scan Logik. Mit diesen Vorbereitungen lassen sich nahezu - wie bei den ASICs allgemein - beliebige Schaltungen entwickeln. Grenzen setzen jedoch die Zahl der implementierten Elemente: Mehr als die vorhandenen Clock Trees, RAMs und PLLs können nicht benutzt werden.

Platform ASIC
Platform ASICs bestehen aus zwei Bereichen, von denen der eine bereits vollständig vordefiniert und der andere wie bei den ASICs für die Kundenschaltungen frei verfügbar ist. Der vordefinierte Teil enthält meist ein CPU-System aus Prozessor und einigen weiteren Controllern. Beispiele sind RAM Controller, Ethernet MAC, Timer und UART. Fehlt ein bestimmter Controller, kann das CPU-System in dem Anwenderbereich hinein entsprechend erweitert werden. Vorteil der Platform ASICs ist der eingesparte Entwicklungsaufwand, da das CPU-System nicht erst vom Anwender entwickelt und verifiziert werden muß.
Bei dem frei programmierbaren Teil kann es sich technologisch um einen Cell-Based Ansatz handeln (jedes logische Element ist frei wählbar und nahezu frei plazierbar) oder er entsprechend einem Structured ASIC aufgebaut.

Programmierbare ASICs
Programmierbare Bausteine, häufig mit Begriffen wie CPLD (Complex Programmable Logic Device) oder FPGA (Field Programmable Gate Array) verbunden. In diesen Bausteinen lassen sich logische Schaltungen . Abhängig von dem Typ der Schaltungsspeicher
- muß die Schaltung bei jedem Einschalten neu programmiert werden (SRAM)
- ist die Schaltung schon nach dem Einschalten aktiv und kann mehrfach
umprogrammiert werden (EPROM)
- kann die Schaltung nur einmal programmiert werden (Fuse) und ist nach
dem Einschalten bereits aktiv
Manche Bausteine müssen außerhalb des Systems programmiert werden, jedoch sind inzwischen die meisten programmierbaren Bausteine z.T. über speziell Interfaces z.T. über Busse innerhalb des Systems programmierbar. Häufig werden diese Bausteine zur Prototyp-Entwicklung und -Implementation von komplexen logischen Schaltungen benutzt und später nach erfolgreichem Systemtest in ein “normales” ASIC überführt, welches für große Stückzahlen gegenüber der programmierbaren Lösung einen kommerziellen (=Preis-) Vorteil bietet. s. Fachartikel FPGA Konvertierung, Elektronik Praxis

Rekonfigurierbare ASICs
Rekonfigurierbare ASICs/Logik ist vom Ansatz her zunächst einmal nichts anderes als “Programmierbare Logik”, wie sie z.B. bei FPGAs vorzufinden ist. Der Unterschied zu der (innerhalb einer Applikation/Funktion) statischen Programmierung eines FPGAs besteht darin, daß sich rekonfigurierbare Logik während der Laufzeit umprogrammiert und sich so an die aktuellen Erfordernisse des Designs (oder des Datenstroms) anpaßt. Die Umprogrammierung erfolgt dabei aufgrund von Flexibilitätsaspekten in lokalen Bereichen und nicht über das gesamte Design. Im Allgemeinen findet die Umprogrammierung innerhalb eines Taktzyklusses statt. Der Speicherstatus (FlipFlops und RAMs) bleiben dabei erhalten und können als Ergebnis der vorherigen Konfiguration weiter verwendet werden.
Der Vorteil rekonfigurierbarer ASICs gegenüber den anderen Typen besteht darin, daß die Logik-Resourcen im Chip für unterschiedliche Funktionen wiederverwendet werden können, um so eine geringere Chipfläche und so einen geringeren Chippreis erzielen zu können. Die Flexibilität bietet u.U. in komplexen Applikationen wie z.B. in dem Mobilfunk der dritten Generation (3G) die Hardware an neue Standards bzw. Services anzupassen.

Standardhalbleiter
Beispiele für (digitale) Halbleiter, die nicht 'speziell' sind und in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden können, sind Mikroprozessoren, Speicher (z.B. SRAM, DRAM, FLASH) oder einfache Treiberbausteine für Backplanes oder unterschiedlichsten Schnittstellen (z.B. RS232).

System On a Chip (SoC)
Der Begriff SoC beschreibt im Gegensatz zu ASIC oder ASSP mehr die Integrationsebene eines Chips als seine Anwendungsmöglichkeiten. Mit SoC werden solche Halbleiter bezeichnet, die nicht nur eine Funktionalität (wie z.B. ein Framer-ASIC) enthalten, sondern gleich ein komplettes System bestehend aus einem Prozessor, an dem über einen chipinternen Datenbus weitere Funktionen angeschlossen sind, wie z.B. Schnittstellen (PCI, USB, Drucker, CAN, UPIO), Timer (Watch-Dog), RAM, ROM, Verschlüsselungsmodule, Displaycontroller, Netzwerkcontroller (Ethernet, Bluetooth) usw. usw. Natürlich ist immer nur eine Auswahl integriert und nicht etwa alle gleichzeitig. Zu diesen `Standard-Funktionalitäten´ kommt in vielen Fällen noch ein ASIC-Anteil hinzu, der ein SoC zu einem ASIC macht. Fehlt dieser kundenspezifische Bestandteil ist ein SoC mehr den ASSP´s zuzuordnen als zu den ASICs.

Application Specific Instruction set Processors (ASIP)
ASIP's sind integrierte Prozessorkerne, die in einem Chip integriert sind. Die Aufgaben entsprechen nicht den Aufgaben einer 'normalen' CPU, sondern sind von ihrer Struktur als auch von ihrem Befehlssatz optimal auf spezielle Anwendung hin zugeschnitten, z.B. die Verarbeitung von Audiosignalen oder Netzwerkprotokollen. Damit sind die Aufgaben ähnlich denen der ASICs, sind aber wesentlich flexibler. Die Vorteile der ASIP´s liegen in:
- geringere Größe gegenüber den GPP´s (General Purpose Processor), da hier im Idealfall
keine unnötigen Strukturen und Befehle implementiert sind
- höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit
- geringere Leistungsaufnahme aufgrund optimierter Strukturen
- besserer Schutz des eingebrachten Intellectual Property
Damit ist die Effizienz der ASIP´s sehr hoch einzuschätzen. Der Nachteil der ASIP´s gegenüber den GPPs ist die kompliziertere und aufwendigere Entwicklung der ASIP Cores.




[ASICs] [Chip Typen] [Chip Aufbau] [Entwicklung] [Schnittstellen] [Glossar]

Was ist ein ASIC? Chips kennt irgendwie jeder der sich ein wenig für Elektronik interessiert. In der Umgangssprache wird dieser Begriff meist mit Halbleiterbausteinen verwendet, die sehr häufig bei Computern und in Netzwerken eingesetzt werden. Der Begriff ASIC ist die Abkürzung für Application Specific Integrated Circuit und bezeichnet einen Integrierten Schaltkreis (IC, auch einfach als Chip bezeichnet), der nur für eine ganz bestimmte Anwendung entwickelt und produziert wird. Daher gibt es i.d.R. nur einen einzigen Kunden für ein ASIC, nämlich genau den, der das ASIC für sein Produkt oder für seine Anwendung entwickelt. Bei einem ASIC handelt es sich meistens um eine digitale Schaltung - quasi für Anwendungen aus der Welt der binären Nullen und Einsen. Auf diese ASICs möchte ich mich hier auf allen Seiten beschränken (alle anderen mögen mir verzeihen). Sehr häufig werden jedoch auch analoge Bestandteile (Makros) in ein ASIC integriert, wie z.B. PLL (Phase Locked Loop zur Erzeugung eines höheren Taktes aus einem Referenz-Takt) oder DAC/ADC (Digital-Analog Converter bzw. Analog-Digital Converter). Dieses macht jedoch der folgenden `digitalen Betrachtungsweise´ keinen Abbruch. Pure analoge Halbleiter, wie sie häufig für Verstärker benutzt werden, werde ich in diesen Seiten nicht ansprechen. Aufgrund ihrer Natur, sehr häufig kundenspezifische Funktionen zu besitzen, decken ASIC's nahezu den gesamten elektronischen Anwendungsbereich ab. Beispiele sind PCs, Fernseher, Radios, Druckeransteuerungen, Halbleiter für Datenverarbeitung z.B. in Netzwerken (Codec, Scrambler, Framer), Motorsteuerungen in Festplatten o.ä., Netzwerkcontroller, MAC's (Media Access Controller), Chips für Telefone, Handys, PDA's ... Die Liste ließe sich nahezu endlos fortsetzen. Jeder hat heutzutage irgendwo ein ASIC in seinem Haushalt, meistens ohne daß er es weiß. Auf - oder besser - in einem Chip befindet sich die elektronische Schaltung, bestehend aus digitalen Bauelementen und den Verbindungen zwischen diesen. Die Bauelemente und die Verbindungen sind alle gemeinsam und quasi gleichzeitig in den Chip `integriert´ worden und nicht etwa einzeln und nacheinander Bauelement für Bauelement dort eingebracht worden. Daher kommt auch der Namensbestandteil `Integrated´ in IC. Die elektronische Schaltung - auch Netzliste genannt - zu entwickeln und anschließend in `Kleinformat´ in einen Chip zu bekommen, ist die eigentliche Aufgabe einer ASIC-Entwicklung. Zielsetzung einer ASIC-Entwicklung Die Absicht einer ASIC-Entwicklung ist die, daß möglichst alle benötigten Funktionalitäten für ein elektronisches Endprodukt in einem einzigen Halbleiter zu integriert sind. Dieses hilft einerseits Kosten einzusparen (weniger Bauelemente sind zu kaufen, zu verwalten und auf der Platine einzubauen) und andererseits eine Funktionalität zu bekommen, die es als Standardhalbleiter (s.u.) nicht zu kaufen gibt. Häufig spielt auch die Verarbeitungsgeschwindigkeit von Daten eine Rolle, die erst durch hochintegrierte Chips erzeugt werden können. All diese Eigenschaften können einem Endprodukt dazu verhelfen, Vorteile auf dem Markt gegenüber der Konkurrenz zu bekommen, um so seinen Produktabsatz zu fördern. Weitere Chip-Klassen Im Folgenden sind weitere Chip-Klassen neben den ASICs vorgestellt, um das Application Specific wie oben beschrieben ein wenig von anderen Chips abzugrenzen. Neben den beiden möglichen Extremen “Chip wird vom Kunden spezifiziert (ASIC)” (links) und “Chip wird vom Vendor spezifiziert (ASSP)” (rechts) gibt es zwei weitere Zwischenstufen: Application Specific IC (ASIC) Wie zuvor beschrieben wird ein ASIC vom Anwender des Chips selbst spezifiziert, implementiert und getestet. Der Chip kann nur in den Produkten des Anwenders eingesetzt werden, da der Chip speziell an die Bedürfnisse dieser Produkte angepaßt ist. Nur die Produktion der Chips wird bei einem Halbleiterhersteller durchgeführt. Customer Specific IC (CSIC) Ein CSIC ist eine ähnliche Form wie ein ASIC. Zusätzlich werden IPs (Intellectual Properties, Macro-Funktionalitäten) in die Schaltung integriert, die der Halbleiterhersteller seinen Kunden bereitstellt. Unter einem IP versteht man ein komplexes Macro (z.B. ein Ethernet-Controller, CPU-Block, ), das eine bestimmte Funktionalität komplett abdeckt. Die in den meisten Chips vorkommenden Makros wie z.B. RAMs, fallen im Allgemeinen nicht unter den Begriff IP. Application Specific Standard Product (ASSP) ASSP bezeichnet einen Chip, die auf der einen Seite für eine spezielle Anwendung entwickelt worden ist, aber dennoch so allgemein in seiner Funktion gehalten ist, daß er von möglichst vielen Kunden in deren Produkte eingesetzt werden kann. Die Spezifikation der Funktionen und der Architektur eines ASSPs als auch dessen Implementierung liegt in der Verantwortung des Halbleiterherstellers. Ein Beispiel hierzu sind USB Bausteine (Universal Serial Bus) die inzwischen häufig als Schnittstelle für PC-Peripherie Verwendung findet. In diesem Beispiel ist die Anwendung immer eine 'USB Peripherieschnittstelle', während die mögliche Produktpalette - und damit der Kundenkreis - sehr umfangreich sein kann. Eine USB-Schnittstelle, und damit ein USB-ASSP, kann im PC selbst, in Druckern, Scannern, Kameras, Kartenlesegeräten und in externen Laufwerken eingesetzt werden. Ein ASIC zur Aufbereitung eines CD-ROM- oder DVD-Datenstromes wird im Gegensatz zu den ASSP's nur in einem CD-ROM- oder DVD-Laufwerk seine Anwendung finden. Customer Specific Standard Product (CSSP) CSSP ist eine Mischform, die aus einem ASSP abgeleitet wird. Der Halbleiterhersteller modifiziert dazu ein vorhandenes ASSP entsprechend der Wünsche des Kunden, so daß dieses auf die speziellen Anforderungen des Kundenproduktes zugeschnitten ist. Structured ASIC Sturctured ASIC stellt eine Technologie zu Verfügung, die schon bestimmte Elemente und Grundfunktionalitäten quasi auf dem Chip für den Anwender vorimplementiert hat, mit denen sich die Entwicklungszeiten reduzieren lassen. Teile der Entwicklungskosten können vor allem dadurch eingespart werden, daß die unteren Produktionsmasken für alle Chips dieser Technologie und gleicher Größe identisch sind. Nur einige obere Produktionsmasken des ASICs werden entsprechend der Schaltung angepaßt. Beispiele für vorimplementierte Elemente sind vollständig ausbalacierte Clock Trees, RAMs (u.U. in unterschiedlichen Größen), PLLs, Scan und Boundary Scan Logik. Mit diesen Vorbereitungen lassen sich nahezu - wie bei den ASICs allgemein - beliebige Schaltungen entwickeln. Grenzen setzen jedoch die Zahl der implementierten Elemente: Mehr als die vorhandenen Clock Trees, RAMs und PLLs können nicht benutzt werden. Platform ASIC Platform ASICs bestehen aus zwei Bereichen, von denen der eine bereits vollständig vordefiniert und der andere wie bei den ASICs für die Kundenschaltungen frei verfügbar ist. Der vordefinierte Teil enthält meist ein CPU-System aus Prozessor und einigen weiteren Controllern. Beispiele sind RAM Controller, Ethernet MAC, Timer und UART. Fehlt ein bestimmter Controller, kann das CPU-System in dem Anwenderbereich hinein entsprechend erweitert werden. Vorteil der Platform ASICs ist der eingesparte Entwicklungsaufwand, da das CPU-System nicht erst vom Anwender entwickelt und verifiziert werden muß. Bei dem frei programmierbaren Teil kann es sich technologisch um einen Cell-Based Ansatz handeln (jedes logische Element ist frei wählbar und nahezu frei plazierbar) oder er entsprechend einem Structured ASIC aufgebaut. Programmierbare ASICs Programmierbare Bausteine, häufig mit Begriffen wie CPLD (Complex Programmable Logic Device) oder FPGA (Field Programmable Gate Array) verbunden. In diesen Bausteinen lassen sich logische Schaltungen . Abhängig von dem Typ der Schaltungsspeicher - muß die Schaltung bei jedem Einschalten neu programmiert werden (SRAM) - ist die Schaltung schon nach dem Einschalten aktiv und kann mehrfach umprogrammiert werden (EPROM) - kann die Schaltung nur einmal programmiert werden (Fuse) und ist nach dem Einschalten bereits aktiv Manche Bausteine müssen außerhalb des Systems programmiert werden, jedoch sind inzwischen die meisten programmierbaren Bausteine z.T. über speziell Interfaces z.T. über Busse innerhalb des Systems programmierbar. Häufig werden diese Bausteine zur Prototyp-Entwicklung und -Implementation von komplexen logischen Schaltungen benutzt und später nach erfolgreichem Systemtest in ein “normales” ASIC überführt, welches für große Stückzahlen gegenüber der programmierbaren Lösung einen kommerziellen (=Preis-) Vorteil bietet. s. Fachartikel FPGA Konvertierung, Elektronik Praxis Rekonfigurierbare ASICs Rekonfigurierbare ASICs/Logik ist vom Ansatz her zunächst einmal nichts anderes als “Programmierbare Logik”, wie sie z.B. bei FPGAs vorzufinden ist. Der Unterschied zu der (innerhalb einer Applikation/Funktion) statischen Programmierung eines FPGAs besteht darin, daß sich rekonfigurierbare Logik während der Laufzeit umprogrammiert und sich so an die aktuellen Erfordernisse des Designs (oder des Datenstroms) anpaßt. Die Umprogrammierung erfolgt dabei aufgrund von Flexibilitätsaspekten in lokalen Bereichen und nicht über das gesamte Design. Im Allgemeinen findet die Umprogrammierung innerhalb eines Taktzyklusses statt. Der Speicherstatus (FlipFlops und RAMs) bleiben dabei erhalten und können als Ergebnis der vorherigen Konfiguration weiter verwendet werden. Der Vorteil rekonfigurierbarer ASICs gegenüber den anderen Typen besteht darin, daß die Logik-Resourcen im Chip für unterschiedliche Funktionen wiederverwendet werden können, um so eine geringere Chipfläche und so einen geringeren Chippreis erzielen zu können. Die Flexibilität bietet u.U. in komplexen Applikationen wie z.B. in dem Mobilfunk der dritten Generation (3G) die Hardware an neue Standards bzw. Services anzupassen. Neben den oben aufgeführten an speziellen Applikationen angepaßte Halbleiter, können Halbleiter noch in weitere Kategorien zugeordnet werden. Diese Liste ist nicht vollständig und soll nur einen Eindruck über die vielfältigen Klassifizierungsmöglichkeiten geben: Standardhalbleiter Beispiele für (digitale) Halbleiter, die nicht 'speziell' sind und in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden können, sind Mikroprozessoren, Speicher (z.B. SRAM, DRAM, FLASH) oder einfache Treiberbausteine für Backplanes oder unterschiedlichsten Schnittstellen (z.B. RS232). System On a Chip (SoC) Der Begriff SoC beschreibt im Gegensatz zu ASIC oder ASSP mehr die Integrationsebene eines Chips als seine Anwendungsmöglichkeiten. Mit SoC werden solche Halbleiter bezeichnet, die nicht nur eine Funktionalität (wie z.B. ein Framer-ASIC) enthalten, sondern gleich ein komplettes System bestehend aus einem Prozessor, an dem über einen chipinternen Datenbus weitere Funktionen angeschlossen sind, wie z.B. Schnittstellen (PCI, USB, Drucker, CAN, UPIO), Timer (Watch-Dog), RAM, ROM, Verschlüsselungsmodule, Displaycontroller, Netzwerkcontroller (Ethernet, Bluetooth) usw. usw. Natürlich ist immer nur eine Auswahl integriert und nicht etwa alle gleichzeitig. Zu diesen `Standard-Funktionalitäten´ kommt in vielen Fällen noch ein ASIC-Anteil hinzu, der ein SoC zu einem ASIC macht. Fehlt dieser kundenspezifische Bestandteil ist ein SoC mehr den ASSP´s zuzuordnen als zu den ASICs. Application Specific Instruction set Processors (ASIP) ASIP's sind integrierte Prozessorkerne, die in einem Chip integriert sind. Die Aufgaben entsprechen nicht den Aufgaben einer 'normalen' CPU, sondern sind von ihrer Struktur als auch von ihrem Befehlssatz optimal auf spezielle Anwendung hin zugeschnitten, z.B. die Verarbeitung von Audiosignalen oder Netzwerkprotokollen. Damit sind die Aufgaben ähnlich denen der ASICs, sind aber wesentlich flexibler. Die Vorteile der ASIP´s liegen in: - geringere Größe gegenüber den GPP´s (General Purpose Processor), da hier im Idealfall keine unnötigen Strukturen und Befehle implementiert sind - höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit - geringere Leistungsaufnahme aufgrund optimierter Strukturen - besserer Schutz des eingebrachten Intellectual Property Damit ist die Effizienz der ASIP´s sehr hoch einzuschätzen. Der Nachteil der ASIP´s gegenüber den GPPs ist die kompliziertere und aufwendigere Entwicklung der ASIP Cores. Nach der Einteilung in mehr oder weniger grobe Chipklassen möchte ich weiter den Entwicklungsweg eines ASIC's beschreiben, also ... ... wie entwickelt man ein ASIC?

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