平臺(tái)ASIC架構(gòu)與傳統(tǒng)ASIC設(shè)計(jì)對比分析

采用先進(jìn)半導(dǎo)體工藝，結(jié)構(gòu)化ASIC平臺(tái)可以提供更多經(jīng)預(yù)定義、預(yù)驗(yàn)證和預(yù)擴(kuò)散的金屬層，并支持各種存儲(chǔ)器接口，能簡化接口設(shè)計(jì)和時(shí)序問題。本文詳細(xì)介紹了結(jié)構(gòu)化ASIC平臺(tái)的這些特點(diǎn)和性能。

最新的ASIC設(shè)計(jì)架構(gòu)能夠大大地降低產(chǎn)品開發(fā)成本、縮短上市時(shí)間，并且可以實(shí)現(xiàn)比FPGA更強(qiáng)的性能。一些供應(yīng)商將這種ASIC設(shè)計(jì)架構(gòu)稱之為“平臺(tái)ASIC”或“結(jié)構(gòu)化ASIC”，這種ASIC架構(gòu)非常適用于網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、通信以及數(shù)字電視之類的新興消費(fèi)電子設(shè)計(jì)。平臺(tái)ASIC的開發(fā)周期從18個(gè)月減少到6至10周，并最大程度地利用設(shè)計(jì)復(fù)用，因此這種設(shè)計(jì)方法更能適應(yīng)快速變化的用戶需求。

平臺(tái)ASIC架構(gòu)

結(jié)構(gòu)化ASIC平臺(tái)之所以能夠有效節(jié)省成本和時(shí)間，原因在于該平臺(tái)能夠提供經(jīng)預(yù)定義、預(yù)驗(yàn)證和預(yù)擴(kuò)散(pre-diffused)的層，用戶可以在這些層上利用可用的金屬層來增加他們特有的邏輯，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)差異化。這種結(jié)構(gòu)化ASIC平臺(tái)如富士通的AccelArray設(shè)計(jì)環(huán)境。一些早期的平臺(tái)ASIC設(shè)計(jì)中較為典型的配置是采用2個(gè)“可定制”金屬層。在采用0.11微米和90納米等先進(jìn)工藝技術(shù)后可用的金屬層就更多了，可以用更多金屬層來改善特定平臺(tái)的布線擁塞和資源利率。富士通的Accelarray技術(shù)可以提供4到5層0.11微米工藝技術(shù)的金屬層定制，因此縮短上市時(shí)間的優(yōu)勢明顯。

一個(gè)典型的0.11微米ASIC設(shè)計(jì)成本現(xiàn)在已經(jīng)攀升到一百萬美元，甚至更多，而平臺(tái)ASIC的非經(jīng)常性工程成本(NRE)要比它少60%到70%，這是因?yàn)樾枰ㄖ频牟辉偈钦麄€(gè)掩模，而只是金屬層。由于平臺(tái)ASIC可以采用業(yè)界最先進(jìn)的工藝技術(shù)來制造，因此能提供比FPGA更高的密度和速度，并具有向標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)移植的途徑。

平臺(tái)ASIC的另外一個(gè)重要優(yōu)勢是無風(fēng)險(xiǎn)，且后端設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)間短。通過將后端物理設(shè)計(jì)時(shí)間縮短為4到8周，OEM工程組不再需要為工程原型等上好幾個(gè)月，然后才能開始驗(yàn)證和評估過程。這也有助于OEM廠商最佳地管理他們的工程資源。

采用最好的平臺(tái)ASIC架構(gòu)能夠消除那些最繁雜和最花時(shí)間的設(shè)計(jì)任務(wù)，如存儲(chǔ)器插入、測試開發(fā)和插入，以及電源網(wǎng)格設(shè)計(jì)與分析。通過采用能減少或消除串?dāng)_的專門技術(shù)，平臺(tái)ASIC能夠解決棘手的信號完整性問題，并確保設(shè)計(jì)沒有IR壓降帶來的風(fēng)險(xiǎn)。此外，通過建立預(yù)結(jié)構(gòu)化(pre-structured)的時(shí)鐘樹，并建立包含邏輯掃描、JTAG和RAM BIST在內(nèi)的所有與測試相關(guān)的組件和連接，可以極大地縮短并簡化物理設(shè)計(jì)。為了消除測試插入，可以利用基于單元技術(shù)的預(yù)擴(kuò)散觸發(fā)器，這樣可以使很多設(shè)計(jì)的整體功耗降低50%以上。

為了將設(shè)計(jì)周期從一般ASIC所需的18到24個(gè)月縮短到2到3個(gè)月，這些架構(gòu)必須簡化時(shí)序收斂設(shè)計(jì)，因?yàn)橐粋€(gè)1,000萬門設(shè)計(jì)的時(shí)序收斂問題可能需要30天，甚至更長的時(shí)間來解決。為了盡可能縮短時(shí)間，平臺(tái)架構(gòu)采用了預(yù)定義的時(shí)鐘樹和預(yù)擴(kuò)散的DDR接口宏(macro)。其結(jié)果是降低了時(shí)序收斂階段的風(fēng)險(xiǎn)，直接縮短了設(shè)計(jì)周期。

存儲(chǔ)器接口

AccelArray能夠支持各種存儲(chǔ)器接口，目前越來越多的應(yīng)用將支持存儲(chǔ)器接口作為一個(gè)主要的要求。這些接口包括雙倍數(shù)據(jù)率(DDR)同步DRAM、RLDRAM和快速周期RAM(FCRAM)。

每個(gè)單獨(dú)的I/O都具備預(yù)先配置好的可編程宏，從而可以省掉ASIC設(shè)計(jì)中最費(fèi)時(shí)間和增加成本的工作。DDR接口模塊包含了能夠滿足非常嚴(yán)格的DDR接口時(shí)序要求的發(fā)送和接收端，并能提供經(jīng)預(yù)驗(yàn)證的版圖和時(shí)序。16位寬的模塊可以拓展用于32位、64位甚至更寬的總線寬度，因此具有非常大的設(shè)計(jì)靈活性。

DDR時(shí)序關(guān)系

在設(shè)計(jì)DDR接口時(shí)，ASIC設(shè)計(jì)工程師常會(huì)面對接收與發(fā)送側(cè)之間時(shí)序收斂的挑戰(zhàn)。在400Mbps速率和2.5ns時(shí)序余量下，64到90個(gè)每個(gè)數(shù)據(jù)通道之間的抖動(dòng)和偏移必須非常小。AceelArray之類的平臺(tái)ASIC架構(gòu)提供了一個(gè)預(yù)定義的DDR宏，通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)可支持較低的抖動(dòng)和偏移。發(fā)送器(TX)和接收器(RX)側(cè)都通過設(shè)計(jì)減少了輸出和輸入并行數(shù)據(jù)信號之間的偏移。

目前，源同步接口主要用于吞吐率低于1Gbps的DDR-DRM、QDR DRAM和RLDRAM存儲(chǔ)器。業(yè)界專家預(yù)測，新的PCI Express總線將改變高帶寬設(shè)計(jì)的一些基本特性，并朝著有更廣用途的嵌入式高速宏發(fā)展。

DDR接口要求源同步時(shí)鐘和發(fā)送數(shù)據(jù)具有相同的開關(guān)速率，不需要升級到輸出傳輸線。與單倍數(shù)據(jù)速率(SDR)接口相比，DDR接口具有顯著的性能提升。

支持垂直市場應(yīng)用設(shè)計(jì)

平臺(tái)ASIC技術(shù)依賴于大量在業(yè)界廣泛應(yīng)用的IP，這些IP以“硬” 宏和“軟”宏形式提供，這些宏能夠支持企業(yè)網(wǎng)絡(luò)或存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)(SAN)等特殊垂直市場應(yīng)用。先進(jìn)的設(shè)計(jì)架構(gòu)能提供各種各樣的可綜合宏，這些宏可以在設(shè)計(jì)的可定制邏輯區(qū)域?qū)崿F(xiàn)，以可綜合的RTL形式提供，例如ARM和ARC內(nèi)核、10Gb介質(zhì)訪問控制器或PCB Express鏈路層和處理層。

富士通在年初推出了一系列具有預(yù)擴(kuò)散高速串并轉(zhuǎn)換器(SERDES)的垂直市場“千兆平臺(tái)”。用0.11微米工藝技術(shù)設(shè)計(jì)的這些千兆平臺(tái)具有預(yù)擴(kuò)散的高速GPHY宏，可以提供速率高達(dá)3.125Gbps的點(diǎn)到點(diǎn)、全雙工、差分、串行通信鏈路，并支持PCI Express、SAUI、光纖通道，以及支持SONET標(biāo)準(zhǔn)的串行Rapid I/O和CDR宏等多種協(xié)議。SERDES帶寬范圍從500Mbps到3.125Gbps。這些平臺(tái)能夠以全雙工方式提供高達(dá)150Gbps的匯聚帶寬。

用于垂直市場的特殊硬IP和軟IP的不斷增加，平臺(tái)ASIC架構(gòu)提供所需支持、接口和設(shè)計(jì)要素的能力的提高，都使得業(yè)界分析人士相信今后3到5年內(nèi)采用平臺(tái)ASIC的設(shè)計(jì)將快速增加。通過降低成本，節(jié)省產(chǎn)品市場時(shí)間，用戶能夠獲得更高的投資回報(bào)。