Embedded-Entwicklung

Trends beim modernen ASIC-Design

07.05.14 | Autor / Redakteur: Robert Troy * / Holger Heller

ASIC-Implementierung fordert Abwägungen: Leistungsfähigkeit, Stromverbrauch, Chipgröße, Stückkosten, Funktionalität, NRE-Kosten (Non-Recurring Engineering) und Time-to-Market.
ASIC-Implementierung fordert Abwägungen: Leistungsfähigkeit, Stromverbrauch, Chipgröße, Stückkosten, Funktionalität, NRE-Kosten (Non-Recurring Engineering) und Time-to-Market. (Bild: VBM-Archiv)

Bei der ASIC-Implementierung sind verschiedene Aspekte zu berücksichtigen, um sicherzustellen, dass das Systemdesign so effektiv wie möglich verläuft und die entsprechenden Kosten sowie die Entwicklungsdauer minimal ausfallen.

Im Laufe der letzten Jahre haben OEMs aus den verschiedensten Branchen ihre Absicht erklärt, sich nach und nach von anwendungsspezifischen ICs (ASICs; Application Specific Integrated Circuits) zu verabschieden und mehr Standard-Bauelemente (Off-the-Shelf) einzusetzen. Der Grund für diesen Übergang seien die geringeren Gesamtkosten und der geringere Entwicklungsaufwand.

In Wirklichkeit ist jedoch nicht viel passiert, da viele dieser Unternehmen ihre Entwicklungsteams in den letzten drei bis vier Jahren weiter verstärkt haben und immer noch einen überwiegend ASIC-lastigen Ansatz bei ihren Systemdesigns verfolgen, um so größtmögliche Differenzierung im harten Wettbewerb zu erzielen. Dennoch ist es offensichtlich, dass sich der ASIC-Markt einer Veränderung unterzieht. OEMs müssen darauf entsprechend reagieren.

Die wichtigsten Parameter bei der ASIC-Implementierung sind Leistungsfähigkeit, Stromverbrauch, Chipgröße, Stückkosten, Funktionalität, NRE-Kosten (Non-Recurring Engineering) und die Time-to-Market. Zahlreiche Abwägungen müssen getroffen werden, um Designs an einen (oder mehrere) dieser Parameter anzupassen. Wünscht der Kunde eine Verbesserung an einem Punkt, müssen anderswo Kompromisse erbracht werden. Bei einem tragbaren Consumergerät ist es von Vorteil, wenn der Stromverbrauch des ASICs so gering wie möglich ist, damit sich die Batterielebensdauer des Geräts verlängert. Auch das beschränkte Platzangebot muss berücksichtigt werden. Werden diese beiden Anforderungen angemessen erfüllt, sind wahrscheinlich Abwägungen bei der Funktion oder Taktfrequenz des ASICs erforderlich.

Obwohl sich programmierbare Logik als Ersatz für Standardzellen-ICs anbietet, können FPGAs in Wirklichkeit nicht das bieten, was ein ASIC leistet. FPGAs sind zwar flexibel und unterstützen Designänderungen – erstens, während der Entwicklung bieten sie die Möglichkeit eines frühen Prototypings der Hardware oder ein Entwicklungstool für Software, um das Design-Risiko zu minimieren – und zweitens, auch später, wenn das Endprodukt aktualisiert werden soll. Wenn aber jene Art von Optimierung erforderlich ist, die ein ASIC bietet, können FPGAs nicht mithalten. Basieren Entwickler ihre Designs auf eine beliebige FPGA-Serie, ergeben sich Einschränkungen hinsichtlich der Abmessungen der verschiedenen ICs dieser Serie, der Zahl verfügbarer LUTs (Look-up Tables) etc.

ASIC sorgt für Optimierung

Mit einem ASIC ist das anders: dem Entwickler stehen alle Möglichkeiten zur Verfügung. Er hat viel mehr Spielraum, wenn es um die Platzausnutzung auf der Leiterplatte, den Stromverbrauch und die Taktfrequenz geht – er muss nur entscheiden, welcher dieser Aspekte die höchste Priorität hat. In vielen Fällen wollen Entwickler natürlich alle Aspekte gleichzeitig voll nutzen. Eine Beratung ist daher entscheidend. In der Vergangenheit erfolgten das ASIC-Design und die Implementierung mit sehr wenig Dialog zwischen dem Systementwickler und denjenigen, die den Baustein erstellen.

Die Komplexität des Designs, die Zeit- und Kostenvorgaben sowie die Leistungsanforderungen machen dies heute unmöglich. Zwischen allen Beteiligten sollte eine rege Diskussion stattfinden – und das bereits ab einem sehr frühen Entwicklungsstadium. Dazu zählen die Prozesstechnologie, die großen Einfluss auf das Ausmaß der ASIC-Entwicklung hat, sowie die Funktionalität, die implementiert werden soll. Kunden wird damit der mögliche Leistungsumfang bewusst, und sie können ihre Erwartungen unter Kontrolle halten. Das Projekt kann damit pünktlich abgeschlossen werden und kostspielige Re-Spins lassen sich vermeiden.

Entwickler nutzen bei der ASIC-Implementierung heute Standards, die interne Verbindungen (System Interconnect), Prozessor-Subsysteme und externe Schnittstellen abdecken. Gängige Prozessoren und Subsysteme teilen sich heute einen gemeinsamen Interconnect-Bus – damit ergibt sich Code-Portabilität von einem Baustein zum nächsten. IP-Blöcke, die konform zu Highspeed-Interconnect-Protokollen mit verifizierbaren Standards (PCI Express, Ethernet oder MIPI) sind, erlauben die Nutzung gängiger physikalischer Schnittstellen und Controller-Blöcke. Damit lassen sich nach der Fertigstellung des ASICs Kompatibilitätsprobleme vermeiden.

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