ASIC芯片技術(shù)和知識介紹
ASIC (Application Specific Integrated Circuit )芯片是專用集成電路，是針對用戶對特定電子系統(tǒng)的需求，從根級設(shè)計、制造的專有應(yīng)用程序芯片，其計算能力和計算效率可根據(jù)算法需要進(jìn)行定制，是固定算法最優(yōu)化設(shè)計的產(chǎn)物。ASIC 芯片模塊可廣泛應(yīng)用于人工智能設(shè)備、虛擬貨幣挖礦設(shè)備、耗材打印設(shè)備、軍事國防設(shè)備等智慧終端。
在硬件層面，ASIC 芯片由基本硅材料、磷化鎵、砷化鎵、氮化鎵等材料構(gòu)成。在物理結(jié)構(gòu)層面，ASIC 芯片模塊由外掛存儲單元、電源管理器、音頻畫面處理器、網(wǎng)絡(luò)電路等IP核拼湊而成。同一芯片模組可搭載一個或幾個功能相同或不同的ASIC 芯片，以滿足一種或多種特定需求
（1） 根據(jù)定制程度不同，ASIC 芯片可被分為全定制ASIC 芯片、半定制ASIC 芯片及可編程ASIC芯片
全定制ASIC 芯片是定制程度最高的芯片之一，研發(fā)人員基于不同電路結(jié)構(gòu)設(shè)計針對不同功能的邏輯單元，于芯片板搭建模擬電路、存儲單元、機械結(jié)構(gòu)。邏輯單元之間由掩模版連接，ASIC 芯片掩模版也具備高度定制化特點。
全定制化ASIC 芯片設(shè)計成本較高，平均每單位芯片模塊設(shè)計時間超過9 周。該類芯片通常用于高級應(yīng)用程序。
相對半定制化ASIC 芯片，全定制化ASIC 芯片在性能、功耗等方面表現(xiàn)優(yōu)秀。如應(yīng)對相同功能，在同種工藝前提下，全定制化ASIC 芯片平均算力輸出約為半定制化ASIC 芯片平均算力輸出的8 倍，采用24 納米制程的全定制化ASIC 芯片在性能上優(yōu)于采用5 納米制程的半定制化ASIC 芯片。
構(gòu)成半定制ASIC 芯片的邏輯單元大部分取自標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元庫，部分根據(jù)特定需求做自定義設(shè)計。相對全定制ASIC 芯片設(shè)計成本較低，靈活度較高。
門陣列ASIC 芯片包括有信道門陣列、無信道門陣列和結(jié)構(gòu)化門陣列。門陣列ASIC 芯片結(jié)構(gòu)中硅晶片上預(yù)定晶體管位置不可改變，設(shè)計人員多通過改變芯片底端金屬層等方式調(diào)整邏輯單元互連結(jié)構(gòu)。
有信道門陣列ASIC 芯片：該類芯片晶體管位置高度固定，設(shè)計人員可在晶體管行之間預(yù)定義的空白空間進(jìn)行電路布局；
無信道門陣列ASIC 芯片：無信道結(jié)構(gòu)下，晶體管行之間不存在電路布局空間，設(shè)計人員通常于門陣列單元上方進(jìn)行布線；
結(jié)構(gòu)化門陣列ASIC 芯片：該結(jié)構(gòu)包括基本門陣列行及嵌入塊。嵌入塊可提高線路布局靈活度，但對芯片體積構(gòu)成限制。該結(jié)構(gòu)下，線路布局面積使用效率較高，設(shè)計成本較低，周轉(zhuǎn)時間較短。
b、 標(biāo)準(zhǔn)單元
該類ASIC 芯片由選自標(biāo)準(zhǔn)單元庫的邏輯單元構(gòu)成。設(shè)計人員可按算法需求自行布置標(biāo)準(zhǔn)單元。除標(biāo)準(zhǔn)單元外，微控制器、微處理器等固定塊也可用于標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC 芯片架構(gòu)。
③ 可編程ASIC 芯片
廣義而言，可編程ASIC 芯片可分為FPGA 芯片和PLD 芯片。在實際生產(chǎn)過程中，將FPGA 芯片列為不同于ASIC 芯片的研究機構(gòu)和企業(yè)數(shù)量不斷增加，故本報告僅將PLD（Programmable Logic Device）視為可編程ASIC 芯片子類別。
PLD 亦稱可編程邏輯器件，在結(jié)構(gòu)上包括基礎(chǔ)邏輯單元矩陣、觸發(fā)器、鎖存器等，其互連部分作為單個模塊存在。設(shè)計人員通過對PLD 進(jìn)行編程以滿足部分定制應(yīng)用程序需求。
① TPU 為張量處理器，專用于機器學(xué)習(xí)。如Google 于2016 年5 月研發(fā)針對
Tensorflow 平臺的可編程AI 加速器，其內(nèi)部指令集在Tensorflow 程序變化或更新算法時可運行。
② BPU 是大腦處理器，是由地平線科技提出的嵌入式人工智能處理器架構(gòu)。
③ NPU 是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器，在電路層模擬人類神經(jīng)元和突觸，并用深度學(xué)習(xí)指令集直接處理大規(guī)模電子神經(jīng)元和突觸數(shù)據(jù)。
CPU 等傳統(tǒng)芯片通過讀取、執(zhí)行外部程序代碼指令而生成結(jié)果，相對而言，ASIC 芯片讀取原始輸入數(shù)據(jù)信號，并經(jīng)內(nèi)部邏輯電路運算后直接生成輸出信號。
相對CPU、GPU、FPGA 等類型芯片，ASIC 芯片在專用系統(tǒng)應(yīng)用方面具備多元優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在如下幾方面。
① 面積優(yōu)勢：ASIC 芯片在設(shè)計時避免冗余邏輯單元、處理單元、寄存器、存儲單元等架構(gòu)，以純粹數(shù)字邏輯電路形式構(gòu)建，有利于縮小芯片面積。應(yīng)對小面積芯片，同等規(guī)格晶圓可被切割出更多數(shù)量芯片，有助于企業(yè)降低晶圓成本。
② 能耗優(yōu)勢：ASIC 芯片單位算力能耗相對CPU、GPU、FPGA 較低，如GPU 每算力平均約消耗0.4 瓦電力，ASIC 單位算力平均消耗約0.2 瓦電力，更能滿足新型智能家電對能耗的限制。
③ 集成優(yōu)勢：因采用定制化設(shè)計，ASIC 芯片系統(tǒng)、電路、工藝高度一體化，有助于客戶獲得高性能集成電路。
④ 價格優(yōu)勢：受到體積小、運行速度高、功耗低等特點影響，ASIC 芯片價格遠(yuǎn)低于CPU、GPU、FPGA 芯片。當(dāng)前全球市場ASIC 芯片平均價格約為3 美元，遠(yuǎn)期若達(dá)到量產(chǎn)規(guī)模，ASIC 芯片價格有望保持持續(xù)下降態(tài)勢。
① ASIC 芯片定制化程度較高，設(shè)計開發(fā)周期長，成品需要做物理設(shè)計和可靠性驗證，面市時間較慢。
② ASIC 芯片對算法依賴性較高。人工智能算法高速更新迭代，導(dǎo)致ASIC 芯片更新頻率較高。
③ 因ASIC 芯片定制化程度較高，研發(fā)周期相對漫長，擴大了ASIC 成品被市場淘汰的風(fēng)險。
① 谷歌于2016 年推出TPU，谷歌旗下2017 版AlphaGo 物理處理器中鑲嵌4 個TPU，可支持谷歌云TPU 平臺和機器學(xué)習(xí)超級計算機。
② IBM 通過模擬大腦結(jié)構(gòu)于2014 年8 月推出制程為28 納米的第二代TrueNorth芯片，可應(yīng)用于實時視頻處理。
③ 英特爾于2017 年推出Xeon 系列ASIC 芯片。該系列芯片可獨立充當(dāng)處理器，無需附加主機處理器和輔助處理器，可應(yīng)用于機器深度學(xué)習(xí)。
④ 斯坦福大學(xué)推出基于新神經(jīng)形態(tài)計算架構(gòu)的ASIC 芯片運算速度為普通電腦9,000倍，可模擬約100 萬個大腦神經(jīng)元、幾十億個突觸連接。
⑤ 新興科創(chuàng)企業(yè)將ASIC 芯片應(yīng)用拓展至安防、輔助駕駛、傳統(tǒng)家電、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域。
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