本文转载自微信公众号《智能计算芯世界》，作者豪仔。转载请联系智能计算核心世界公众号。ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）芯片是一种专用集成电路。它是专为满足用户对特定电子系统的需求，从根本上设计和制造的专有应用芯片。其计算能力和计算效率可根据算法需求定制。固定算法优化设计的产物。ASIC芯片模块可广泛应用于人工智能设备、虚拟货币挖矿设备、打印消费设备、军事防御装备等智能终端。在硬件层面，ASIC芯片由基础硅材料、磷化镓、砷化镓组成、氮化镓等材料。在物理结构层面，ASIC芯片模块由外部存储单元、电源管理器、音图像处理器、网络电路等IP核组成。同一个芯片模组可以搭载一颗或多颗功能相同或不同的ASIC芯片，以满足一种或多种特定需求。ASIC芯片的分类(1)按定制化程度，ASIC芯片可分为全定制ASIC芯片、半定制ASIC芯片和可编程ASIC芯片。①全定制ASIC芯片全定制ASIC芯片是定制化程度最高的芯片之一。研发人员根据不同的电路结构设计不同功能的逻辑单元，在芯片板上构建模拟电路、存储单元和机械结构。逻辑单元通过分划线连接，ASIC芯片分划线也具有高度可定制性。全定制ASIC芯片设计成本较高，平均每单位芯片模组设计时间超过9周。这些芯片通常用于高级应用。与半定制ASIC芯片相比，全定制ASIC芯片在性能和功耗方面表现更佳。同样的功能，在同样工艺的前提下，全定制ASIC芯片的平均算力输出是半定制ASIC芯片平均算力输出的8倍左右。用于使用5nm工艺的半定制ASIC芯片。②半定制ASIC芯片构成半定制ASIC芯片的大部分逻辑单元来自于标准逻辑单元库，也有部分是根据具体需要定制的。与全定制ASIC芯片设计相比，成本更低，灵活性更高。根据标准逻辑单元和定制逻辑单元的不同匹配模式，半定制ASIC芯片又可细分为门阵列芯片和标准单元芯片。A。门阵列芯片门阵列ASIC芯片包括有通道的门阵列、无通道的门阵列和结构化的门阵列。在门阵列ASIC芯片结构中，预定晶体管在硅片上的位置是不能改变的，设计者通常通过改变芯片底部的金属层来调整逻辑单元互连结构。带沟道的门阵列ASIC芯片：这类芯片的晶体管位置是固定的，设计者可以在晶体管行与行之间预定义的空白处进行电路布局；无通道门阵列的ASIC芯片：在无通道结构下，晶体管的行与行之间没有空隙。电路布局空间，设计人员通常在门阵列单元上方布线；结构化门阵列ASIC芯片：结构包括基本门阵列行和嵌入式块。嵌入式块增加了布线布局的灵活性，但限制了芯片尺寸。在这种结构下，电路布局面积得到更有效的利用，设计成本更低，周转时间更短。b.Standardcell这种类型的ASIC芯片是由从标准单元库中选出的逻辑单元组成的。设计人员可以根据算法要求自行排列标准单元。除了标准单元，固定块如微控制器和微处理器也可以用于标准单元ASIC芯片架构。③可编程ASIC芯片从广义上讲，可编程ASIC芯片可分为FPGA芯片和PLD芯片。在实际生产过程中，将FPGA芯片区别于ASIC芯片的研究机构和企业越来越多，因此本报告仅将PLD（ProgrammableLogicDevice）作为可编程ASIC芯片的一个子类。PLD也称为可编程逻辑器件，其结构包括基本逻辑单元矩阵、触发器、锁存器等，其互连部分作为单个模块存在。设计人员对PLD进行编程以满足一些自定义应用要求。（2）ASIC芯片根据终端功能不同可分为TPU芯片、BPU芯片和NPU芯片。①TPU是张量处理器，专用于机器学习。例如，谷歌在2016年5月为Tensorflow平台开发了一款可编程的AI加速器，其内部指令集可以在Tensorflow程序变更或算法更新时运行。②BPU是大脑处理器，是地平线科技提出的嵌入式人工智能处理器架构。③NPU是在电路层模拟人类神经元和突触，用深度学习指令集直接处理大规模电子神经元和突触数据的神经网络处理器。ASIC芯片的特点CPU等传统芯片通过读取和执行外部程序代码指令产生结果。相对而言，ASIC芯片读取原始输入数据信号，内部逻辑电路运算后直接产生输出信号。(1)优势：与CPU、GPU、FPGA等各类芯片相比，ASIC芯片在专用系统应用方面具有多重优势，具体表现在以下几个方面。①面积优势：ASIC芯片在设计时避免了冗余的逻辑单元、处理单元、寄存器、存储单元等结构，以纯数字逻辑电路的形式构建，有利于减小芯片面积。对于小面积芯片，相同规格的晶圆可以切割成更多的芯片，有利于企业降低晶圆成本。②能耗优势：ASIC芯片单位算力能耗低于CPU、GPU、FPGA。比如GPU平均每单位算力消耗0.4瓦左右的功率，ASIC每单位算力消耗0.2瓦左右的功率，更适合新型智能家电。能源消耗的限制。③集成优势：由于采用定制化设计，ASIC芯片系统、电路、工艺高度集成，帮助客户获得高性能集成电路。④价格优势：受体积小、运行速度快、功耗低等特点的影响，ASIC芯片的价格远低于CPU、GPU、FPGA芯片。目前全球市场ASIC芯片的平均价格约为3美元。如果长期达到量产规模，ASIC芯片价格有望保持持续下行趋势。(2)缺点：①ASIC芯片定制化程度高，设计开发周期长。成品需要物理设计和可靠性验证，上市时间相对较慢。②ASIC芯片高度依赖算法。人工智能算法更新迭代速度快，导致ASIC芯片更新频率高。③由于ASIC芯片定制化程度高，研发周期较长，增加了ASIC成品被市场淘汰的风险。ASIC芯片产品介绍①谷歌于2016年推出TPU，谷歌2017版AlphaGo物理处理器内嵌4颗TPU，可支持谷歌云TPU平台和机器学习超级计算机。②IBM于2014年8月推出第二代TrueNorth芯片，工艺为28纳米，模拟人脑结构，可应用于实时视频处理。③英特尔于2017年推出至强系列ASIC芯片，该系列芯片可以独立作为处理器，无需额外的主处理器和辅助处理器，可应用于机器深度学习。④斯坦福大学推出基于新型神经拟态计算架构的ASIC芯片，速度比普通计算机快9000倍，可模拟约100万个大脑神经元和数十亿个突触连接。⑤新兴科技创新企业将ASIC芯片应用拓展至安防、辅助驾驶、传统家电、智慧医疗等领域。中国ASIC芯片产品销量持续增长的基础包括但不限于以下因素：①边缘计算领域将成为专用深度学习ASIC芯片的主要营收领域。②移动通讯设备、头显设备（AR、VR、MR）、平板电脑、无人机、智能家居设备等消费电子产品将成为ASIC芯片产品的集中应用领域。③基于图形架构的深度学习处理器盛行，ASIC更适合图形架构计算环境。④预计2022年左右，同时具备训练和推理能力的人工智能终端设备将更加普及，ASIC芯片将大量导入此类设备。参考来源：中国ASIC芯片产业优秀报告
