Circuito integrado de aplicación específica para niños
Un circuito Integrado para aplicaciones específicas (o ASIC, por sus siglas en inglés, Application-Specific Integrated Circuit) es un chip hecho a la medida para un uso en particular. A diferencia de los chips de uso general que pueden servir para muchas cosas, un ASIC está diseñado para una función específica. Por ejemplo, un chip creado solo para un teléfono móvil es un ASIC.
Con el tiempo, los ASIC se han vuelto mucho más complejos. Al principio, tenían unas pocas miles de "puertas lógicas" (los bloques básicos de construcción de un chip). Hoy en día, pueden tener más de 100 millones de estas puertas. Los ASIC modernos a menudo incluyen partes importantes como procesadores, diferentes tipos de memoria (RAM, ROM, Flash) y otros módulos. A este tipo de ASIC tan avanzado se le suele llamar sistema en chip o SoC. Los ingenieros usan lenguajes especiales, como Verilog o VHDL, para describir cómo deben funcionar estos chips.
Las FPGA (Field Programmable Gate Arrays) son como una versión moderna de los chips prototipo. Contienen bloques de lógica que se pueden programar y conectar de muchas maneras. Esto permite que un solo modelo de FPGA se use en diferentes aplicaciones. Para diseños más pequeños o cuando no se necesitan muchas unidades, las FPGA pueden ser más económicas que los ASIC. Esto se debe a que fabricar un ASIC por primera vez tiene un costo inicial muy alto, especialmente con las tecnologías más nuevas.
Contenido
Historia de los Circuitos ASIC
¿Cuándo aparecieron los primeros ASIC?
Los primeros ASIC usaban una tecnología llamada "matriz de puertas". Una empresa llamada Ferranti fabricó una de las primeras, la ULA (Uncommitted Logic Array), alrededor de 1980. Estos primeros diseños se personalizaban cambiando las conexiones metálicas en el chip. Las ULA podían tener hasta unos pocos miles de puertas lógicas. Con el tiempo, se hicieron más avanzados, permitiendo configurar más partes del chip.
Tipos de Diseño de ASIC
¿Cómo se diseñan los ASIC?
Existen diferentes maneras de diseñar y fabricar un ASIC, cada una con sus propias ventajas y desventajas en cuanto a costo y rendimiento.
Diseño Basado en Celdas Estándares
A mediados de los años 80, los diseñadores comenzaron a usar "celdas estándares". Imagina que un fabricante de chips tiene una biblioteca de bloques de construcción electrónicos ya listos, como si fueran piezas de LEGO. Cada pieza (o "celda") tiene características eléctricas conocidas. Los diseñadores eligen estas piezas y las unen para crear el chip completo.
Este método permite crear chips muy complejos y con buen rendimiento. Es un punto intermedio entre los diseños más simples y los que se hacen completamente desde cero. Hoy en día, los ingenieros usan herramientas de software que convierten las descripciones de cómo debe funcionar el chip (escritas en lenguajes como HDL) en una lista de estas celdas estándares y cómo deben conectarse.
El proceso de diseño con celdas estándares suele seguir estos pasos:
- Primero, los ingenieros entienden qué funciones debe cumplir el chip.
- Luego, escriben una descripción detallada del chip usando un lenguaje especial, como si fuera un programa de computadora.
- Se simula el diseño para asegurarse de que funcione correctamente.
- Una herramienta de software convierte esta descripción en una lista de celdas estándares.
- Otra herramienta organiza estas celdas en el espacio físico del chip.
- Finalmente, se crean las conexiones eléctricas entre las celdas.
- Se hacen pruebas finales para asegurar que el chip funcione bien en diferentes condiciones.
Este método es muy confiable porque las celdas estándares ya han sido probadas en muchos otros diseños.
Diseño Basado en Matriz de Puertas (Gate Array)
En el diseño de matriz de puertas, algunas partes del chip (como los transistores) ya están prefabricadas en una oblea de silicio. Lo que se personaliza son las capas metálicas que conectan estos elementos. Esto reduce los costos iniciales y el tiempo de fabricación, porque no es necesario crear todas las capas desde cero.
Sin embargo, este método a menudo no utiliza el 100% del espacio disponible en el chip, lo que puede aumentar el costo por unidad. Hoy en día, los diseños puramente basados en matriz de puertas son menos comunes y a menudo se reemplazan por las FPGA, que son programables por el usuario. Las matrices de puertas están evolucionando hacia los "ASIC estructurados", que incluyen bloques más grandes como procesadores o memorias.
Diseño Totalmente a Medida (Full Custom Circuits)
El diseño totalmente a medida es cuando se diseñan absolutamente todas las capas del chip desde cero. Esto se hace tanto para ASIC como para otros tipos de chips.
Las ventajas de este método son que el chip puede ser más pequeño (lo que reduce el costo por unidad), tener un mejor rendimiento y permitir la integración de componentes analógicos o microprocesadores complejos en un solo chip (SoC).
Las desventajas son que el costo y el tiempo de desarrollo son mucho mayores. También requiere herramientas de software más avanzadas y un equipo de diseño con habilidades muy especializadas.
Diseño Estructurado (Structured Array)
El diseño estructurado de ASIC es un término más reciente y puede tener diferentes significados. La idea principal es reducir el tiempo de fabricación y diseño en comparación con los ASIC de celdas estándares. Esto se logra teniendo algunas capas metálicas predefinidas y partes del silicio ya caracterizadas.
En un diseño ASIC estructurado, las capas lógicas ya están definidas por el fabricante. El diseño se completa creando capas de metal personalizadas que conectan estos elementos predefinidos. Se considera un puente entre las FPGA y los ASIC de celdas estándares. Al personalizar solo unas pocas capas, los costos iniciales son menores.
Además, en los ASIC estructurados, muchas funciones comunes (como la alimentación o las estructuras de prueba) ya están predefinidas, lo que ahorra tiempo y dinero al diseñador. También pueden incluir bloques de propiedad intelectual (IP) ya listos para ciertas aplicaciones.
Componentes Reutilizables (IP)
¿Qué son los bloques IP en los chips?
Los fabricantes de chips suelen ofrecer "bibliotecas de celdas" con bloques lógicos básicos. Además, existen los "núcleos IP" (Propiedad Intelectual), que son diseños más grandes y complejos que se compran a otras empresas para usarlos como subcomponentes en un ASIC más grande.
Estos núcleos IP pueden ser descripciones de cómo funciona un componente (como un "macro blando") o un diseño ya listo para imprimir en el chip (un "macro duro"). Hoy en día, muchas empresas venden IP prediseñadas, como procesadores, interfaces Ethernet o USB. Reutilizar estos diseños ahorra mucho tiempo y dinero, y mejora la calidad de los productos.
Los "macros blandos" suelen ser más flexibles y pueden fabricarse con diferentes procesos. Los "macros duros" están limitados a un proceso específico y requieren más esfuerzo para adaptarlos a otros.
Fabricación de Prototipos: Obleas Multiproyecto
¿Cómo se prueban los diseños de ASIC?
Algunos fabricantes ofrecen "obleas multiproyecto" (MPW) para crear prototipos a bajo costo. Estas obleas contienen varios diseños de diferentes clientes y se fabrican regularmente. Es una forma económica de probar un diseño antes de producirlo en grandes cantidades. El fabricante, a menudo llamado "fundición de silicio", tiene poca participación en el diseño, solo se encarga de la fabricación.
¿Quiénes fabrican los ASIC?
Algunos de los fabricantes más conocidos de ASIC son:
- IBM
- LSI Logic
- Microchip Technology
- Texas Instruments
- TSMC
- UMC
Véase también
En inglés: Application-specific integrated circuit Facts for Kids
- Automatización de diseño electrónico
- SoC
