Anwendungsspezifische integrierte Schaltung

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Eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (englisch application-specific integrated circuit, ASIC, auch Custom Chip) ist eine elektronische Schaltung, die als integrierter Schaltkreis realisiert wurde. Die Funktion eines ASICs ist damit nicht mehr veränderbar, die Herstellungskosten sind dafür geringer bei hohen Einmalkosten (z. B. Fotomasken). ASICs werden weltweit von vielen Herstellern nach Kundenanforderung gefertigt und normalerweise nur an diese geliefert. Dadurch unterscheidet sich das ASIC von anderen Mikrochips. Wird ein als ASIC entwickelter Baustein am Markt verkauft, spricht man häufig von einem anwendungsspezifischen Standardprodukt (ASSP).

Beschreibung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

ASIC auf einer Leiterplatte.

Rein digitale ASICs integrieren eine große Zahl von Logikfunktionen, die sonst aus diversen Standardbausteinen wie Prozessor, Logikfamilien (z. B. 74xx) oder ähnlichen Bausteinen zusammengestellt werden müssten. Mixed-Signal-ASIC bestehen aus digitalen und analogen Funktionen. Dabei bestimmen die analogen Schaltungen wie z. B. Analog-Digital-Wandler, PLLs, rauscharme Verstärker, Hochstromtreiber etc. die Zieltechnologie (Strukturgröße).

ASICs werden vor allem für in Großserien gebaute Geräte zur Kostensenkung verwendet. Ein Großteil der heutzutage hergestellten Chips sind anwendungsspezifisch, wie zum Beispiel die Prozessoren in Mobiltelefonen zur Kodierung von Signalen oder zur Aufbereitung von Daten. Der Unterschied zu PLDs und Field Programmable Gate Arrays besteht darin, dass die Funktionalität des anwendungsspezifischen ICs vom Hersteller eindeutig festgelegt werden muss und somit fest vorgegeben ist. Die interne Schaltung kann vom Anwender nicht mehr verändert werden. Es gibt auch ASIC-Varianten, auf denen Mikroprozessoren oder Signalprozessoren integriert sind (System-on-a-Chip), wodurch eine gewisse Flexibilität für den Anwender durch die darauf ablaufende Software erreicht werden kann.

Zum Entwurf von ASICs verwendet man heute EDA-Software (EDA = Electronic Design Automation).

Die bekannten CPUs (Intel Pentium, AMD Athlon etc.) sind hingegen universelle integrierte Schaltungen, die eine Vielzahl verschiedener Aufgaben bewältigen können. Das hat jedoch den Nachteil, dass diese Aufgaben nicht optimal abgearbeitet werden: Energieverbrauch, Chip-Fläche, Taktfrequenz und andere Zielparameter sind in bestimmten Anwendungen höher als bei einem spezialisierten Baustein, der Datendurchsatz niedriger.

Eine CPU, die nur für eine bestimmte Aufgabe hergestellt wird, nennt sich application-specific instruction-set processor (ASIP).

Einteilung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Auf dem Markt sind verschiedene Lösungen für ASICs verfügbar. Die Konzepte lassen sich grob in folgende Gruppen einteilen:[1][2]

  1. vollständig kundenspezifischen ASIC: Nutzung von kundenspezifischen Logikblöcken deren Entwurf auf Transistorebene durch den Kunden erfolgt. Diese werden speziell für das Produkt platziert und verknüpft, daher sind alle Strukturierungsebenen produktspezifisch.
  2. teilweise kundenspezifischen ASIC: wie vollständig kundenspezifische ASIC ergänzt um bereits erstellte Standard- oder Makrozellen (z. B. SRAM-Blöcke) des Herstellers.
  3. Standardzellen-ASIC: ein kundenspezifisches Schaltungsdesign nur bestehend aus Logikzellen, die durch den Hersteller bereitgestellt wurden
  4. Megazellen-ASIC: Sie sind ähnlich den Standardzellen-ASIC, sind aber deutlich komplexer und größer. Üblicherweise erfüllen sie Standardfunktionen, z. B. RAM-Blöcke, MPEG-Coder
  5. Gate-Array-ASIC: vorkonfigurierte Standardgatter bzw. -Zellen, die auf Kundenwunsch nur noch in der Metallisierungsebene verknüpft werden.
    • Sea-of-Gates-ASIC: Sie sind ähnlich wie Gate-Arrays, weisen jedoch mehrere (kundenspezifische) Metallisierungsebenen auf, was eine komplexere Verschaltung der Zellen und dichtere Transistoranordnungen ermöglicht.

Diese Gruppen haben gemeinsam, dass zumindest ein mehr oder weniger großer Teil der Schaltkreise nach Kundenvorgabe mit der Herstellung festgelegt wird. Sie unterscheiden sich hinsichtlich der möglichen Konfigurationsmöglichkeiten durch den Kunden, Flächenbedarf, verfügbarer Gehäuse, Komplexität der Schaltung, Schaltgeschwindigkeit, Leistungsaufnahme etc. was schlussendlich sich in den Kosten der Fertigung bzw. des einzelnen Chips niederschlägt. So sind die weitgehend vorgefertigten eine der kostengünstigsten Möglichkeiten ASIC zu fertigen. Sie weisen jedoch keine Optimierung für die entsprechende Anwendung auf. Vollständig kundenspezifische ASIC hingegen sind durch den Schaltungsentwurf (meist beim Kunden) und entsprechender Wahl der Fertigungstechnik für die jeweiligen Anwendung optimiert. Sie erfordern jedoch sehr hohen Aufwand bei der Erstellung und Verifikation.

Darüber hinaus werden manchmal auch FPGAs als ASIC bezeichnet. Mit einem FPGA wird üblicherweise verbunden, dass die kundenspezifische Schaltung erst beim Kunden in das Bauelement gebracht wird. Es gibt jedoch auch auf Kundenwunsch teilweise angepasste FPGA, bei denen bestimmte Baugruppen bereits bei der Herstellung kundenspezifische Anpassungen erhält. Dies schränkt in der Regel den Nutzungsbereich des kundenspezifischen FPGA ein, ermöglicht aber schnellere und günstigere Schaltungen für die entsprechende Anwendung.

Vor- und Nachteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wegen der Anpassung ihrer Architektur auf ein spezifisches Problem arbeiten ASICs sehr effizient und um einiges schneller als eine funktionsgleiche Umsetzung per Software in einem Mikrocontroller. In einem Mobiltelefon hat das zum Beispiel den Vorteil, dass der Akku länger hält und das Gerät kompakter ist.

Durch ihre Exklusivität verhindern ASICs Nachbauten. Für Bastler und Service-Werkstätten sind ASICs oft ein großes Problem, da sie normalerweise nicht mehr produziert werden, nachdem die Herstellung eines Gerätes eingestellt wurde. Sind die Restbestände aufgebraucht, ist in der Regel eine Reparatur nur noch durch Entnahme der ASICs aus Geräten mit anderweitigen Defekten möglich.

Die großen Nachteile von ASICs sind vor allem bei kleinen und mittleren Stückzahlen die hohen Investitionskosten und in jedem Falle die längere Entwicklungszeit gegenüber einer Lösung derselben Aufgabenstellung mit diskreten Bauteilen und Standard-ICs oder auch mit programmierbaren Bauteilen wie FPGAs.

Anwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

ASICs finden Verwendung in vielen verschiedenen elektronischen Geräten, vom Radiowecker bis zum Hochleistungsrechner. Der Grund für die Entwicklung solcher ICs, welche oft sogar nur für eine einzige bestimmte Modellreihe entworfen werden, ist vor allem bei hohen Fertigungsstückzahlen die Kostenersparnis gegenüber dem Aufbau mit Standardbausteinen. In den Anfangszeiten der integrierten Schaltkreise waren ASICs eine Alternative zu einer Implementierung aus einzelnen Transistoren oder TTL-Bausteinen. Bei digitalen ASICs handelt es sich um ICs, die für einen speziellen Einsatzzweck entworfen wurden. Meist arbeiten diese Bausteine entweder platz-, verbrauchs-, kosten- oder leistungsoptimiert.

Beispiele:

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Lexikon Elektronik und Mikroelektronik. Zweite, aktualisierte und erweiterteage Auflage. Springer, Berlin/Heidelberg 1993, ISBN 3-642-58006-8, Stichwort: ASIC, S. 45–46.
  2. S. K. Tewksbury: Application-Specic Integrated Circuits. In: Richard C. Dorf (Hrsg.): The electrical engineering handbook. 2nd Auflage. CRC Press, Boca Raton 1997, ISBN 0-8493-8574-1.