Kundenspezifische integrierte Schaltungen. Ein Vergleich zwischen FPGA, ASSP und ASIC

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Zielsetzung der Hausarbeit
1.2 Aufbau der Hausarbeit

2 Einfuhrung in die Digitaltechnik
2.1 Flip-Flops
2.2 Transistoren
2.3 Integrierter Schaltkreis
2.3.1 Entwicklung und Aufbau integrierter Schaltungen
2.3.2 Potenziale integrierter Schaltungen

3 Aufbau und Definition kundenspezifischer integrierter Schaltungen
3.1 ASIC
3.2 ASSP
3.3 FPGA

4 Anwendungsbereiche

5 Unterschiede

6 Zusammenfassung/Fazit

7 Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Uberblick der wichtigsten Booleschen Operatoren und Schaltsymbolen

Abbildung 2: Ausfuhrung eines npn-Transistors

Abbildung 3: Darstellung verschiedener Transistoren

Abbildung 4: Aufbau eines FPGA

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Vergleich von ASIC, ASSP und FPGA anhand von verschiedenen Merkmalen

Abkurzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Wir benutzen taglich eine Vielzahl von digitalen Systemen und Schaltungen, wie zum Beispiel im Alltag bei vielen elektrischen Haushaltsgeraten, in unseren Laptops oder auch in der Automobilelektronik. Teilweise ist dies dem Verbraucher gar nicht bewusst, da die Systeme oftmals in Elektrogerate eingebettet, und damit fur den Verbraucher nicht sichtbar sind (Gessler, 2020, S.1). Die Digitaltechnik verzeichnet die entscheidende Auf- wartsentwicklung im Jahre 1958 mit der Erfindung der integrierten Halbleiterschaltungen und der Fortentwicklung der Mikroelektronik. Seit dieser Zeit wurden verschiedene inte- grierte, kundenspezifische Schaltungen, wie Full Custom und Semi Custom integrierte Schaltungen, entwickelt (Gehrke, Urbanski & Woitowitz, 2012, S.VI). Auch die vorlie- gende Hausarbeit setzt sich mit kundenspezifischen integrierten Schaltungen und somit mit der programmierbaren Logik auseinander.

1.1 Zielsetzung der Hausarbeit

Zielsetzung der Arbeit ist es, ASIC, ASSP und FPGA im Vergleich zueinander zu setz- ten. Dabei werden verschiedene Kriterien in Betracht gezogen und jeweils die Vor- und die Nachteile aufgezeigt.

1.2 Aufbau der Hausarbeit

Auf die Einleitung in Kapitel 1 folgt in Kapitel 2 eine Einfuhrung in die Digitaltechnik als Basis fur die weitere Ausarbeitung. Das Kapitel gibt einen Uberblick uber die Booleschen Operatoren und Schaltsymbole, Flip-Flops und Transistoren. Des Weiteren liegt der Schwerpunkt dieses Kapitels auf den integrierten Schaltkreisen, genauer genommen auf deren Entwicklung, Aufbau und Potenzial. Aufbauend auf den Erkenntnissen von Kapitel 2 wird in Kapitel 3 der Aufbau und die Definition von ausgewahlten kundenspezifischen, integrierten Schaltungen thematisiert. Dabei werden ASIC, ASSP und FPGA beschrie- ben und charakterisiert. In Kapitel 4 werden beispielhaft Anwendungsbereiche und die Anwendungsunterschiede von ASIC, ASSP und FPGA aufgezeigt. Kapitel 5 widmet sich anschlieBend den Unterschieden der kundenspezifischen integrierten Schaltungen. Be- trachtet werden dabei die Entwicklungszeit und -kosten, die Stuckkosten, die Konfigu- rierbarkeit, die Leistungsfahigkeit, die Stor- und Fehleranfalligkeit und die Sicherung des Know-hows. AbschlieBend werden im letzten Kapitel 6 die Fakten zusammengefasst und ein kurzes Fazit gegeben.

2 Einfuhrung in die Digitaltechnik

Die Digitaltechnik findet in fast allen Bereichen des menschlichen Lebens Anwendung. Dabei haben digitale Schaltungen in den meisten technischen Geraten vor allem die Aufgabe Signale zu verarbeiten, also zu steuern und regeln. (Gehrke, Urbanski, Winzker, Woitowitz, 2016, S.1). Ein wichtiges Merkmal der Digitaltechnik ist die Abbil- dung von ausschlieBlich zwei Zustanden. Dargestellt wird beispielsweise nur „der Strom flieBt“ oder „der Strom flieBt nicht“ (Gehrke et al., 2012, S.2). Diese Zustande werden mit den Werten 0 und 1 gekennzeichnet und als Binardaten bezeichnet (Gehrke et al., 2016, S.2). Logikpegel nennt man die Kennzeichnung dieser zwei Zustande durch die Ausdru- cke Low (L) und High (H). Die Beschreibung der Zustande mittels Zahlen (0 oder 1) werden im mathematischen Kontext benutzt, wahrend die Logikpegel zur Kennzeich- nung von physikalischen Zustanden, wie zum Beispiel elektrischer Strom, benutzt wird (Gehrke et al., 2012, S.19). Die Digitaltechnik hat also das Dualsystem als zugrundelie- gendes Zahlensystem. Ein Grund dafur ist, dass technische Systeme mit dem Dezimal- system und somit zehn Zustanden komplexer und somit anfalliger fur Storungen waren. Des Weiteren lasst sich durch das Rechnen mit zwei Zustanden auf viele mathematische Grundlagen, wie zum Beispiel die Boolesche Algebra, zuruckgreifen (Gehrke et al., 2012, S.2). Um eine Schaltung zu realisieren, erstellt man aus einer Spezifikation die Boolesche Gleichung mit einer Vielzahl von Operatoren. Diese konnen zur Verknupfung oder Zuweisung dienen. Die folgende Abbildung gibt einen Uberblick uber die wichtigs- ten Booleschen Operatoren (auch Gatter genannt) (Bressler, Gutekunst, Hering, 2017, S.671).

Abbildung 1: Uberblick der wichtigsten Booleschen Operatoren und Schaltsymbolen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Quelle: Biere, Kroning, Weissenbacher, Wintersteiger, 2008, S.12).

Zum weiteren Verstandnis werden einige Begriffe und elektronische Bauelemente der Digitaltechnik, die fur die weitere Hausarbeit von Relevanz sind, vorab noch einmal de- taillierter erklart.

2.1 Flip-Flops

Ein Flip-Flop ist ein elementares Schaltwerk der Digitaltechnik, das heiBt es dient zur Umwandlung von Schaltvariablen. In der Gruppe der elementaren Schaltwerke lassen sich die Flip-Flops in die Kategorie „Bistabile Kippstufen“ einordnen. Generell sind Flip­Flops Logikbausteine und dienen als Speicherelement von Informationen (Gehrke et al., 2016, S.8). Flip-Flops werden unter anderem auch zur Realisierung von integrierten Schaltungen verwendet (Gehrke et al., 2012, S.54).

2.2 Transistoren

Der erste Transistor wurde im Jahr 1948 erfunden (Busch, 2015, S.212). Bei Transisto- ren handelt es sich um aktive Halbleiterbauelemente, die oftmals in integrierten Schal- tungen eingesetzt werden (Bressler et al., 2017, S.167). In elektronischen Schaltungen haben Transistoren die Aufgabe eines Schalters, der den Stromkreis offnet und schlieBt und somit den Stromfluss regelt (Fricke, 2018, S.39). Bei Transistoren unterscheidet man zwischen zwei Arten: den Bipolartransistoren und den unipolaren Feldeffekttransis- toren (FET) (Busch, 2015, S.212).

In den ersten Transistorschaltungen wurden Bipolartransistoren verwendet (Gehrke et al., 2012, S.53). Der Bipolartransistor ist ein elektronisches Bauelement, welches strom- gesteuert ist. Die Herstellung des Bipolartransistors basiert auf Silizium und hat zwei pn- Ubergange. Dabei konnen die Bipolartransistoren nochmal in zwei Transistoren unter- teilt werden, und zwar den pnp-Transistor und den npn-Transistor. Die Bipolartransistor- Art, die als erstes erfunden wurde, ist der pnp-Transistor. Heutzutage findet jedoch hauptsachlich der npn-Transistor Anwendung. Aus diesem Grund wird der npn-Transis- tor im Folgenden erlautert (Busch, 2015, S.213-216).

Die beiden pn-Ubergange sind abwechselnd geschichtet und unterschiedlich gepolt, wodurch auch der Name Bipolartransistor entsteht. Die mittlere Schicht des npn-Tran- sistors muss sehr dunn und schwach dotiert sein. Jede Schicht besitzt einen elektrischen Anschluss. Damit ergeben sich die folgenden drei Anschlusse: C-Kollektor, B-Basis und E-Emitter (Fischer, 2019, S.176). Wird eine Spannung UBE von der Basis zum Emitter angelegt (> 0,7V bei Silizium), hat dies zur Folge, dass ein Strom IB flieBt, die Strecke vom Kollektor zum Emitter niederohmig wird und entsprechend auch ein Kollektorstrom Ic flieBt. Liegt keine Spannung UBE an, dann flieBt auch kein Basisstrom und die Strecke vom Kollektor zum Emitter ist hochohmig. Dieses Funktionsprinzip eignet sich hervorra- gend als (kontaktloser) Schalter. Die Verbindung vom Kollektor zum Emitter bildet hier- bei die entscheidende Schaltfunktion (vgl. Busch, 2015, S.213ff).

Abbildung 2: Ausfuhrung eines npn-Transistors

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Quelle: Busch, 2015, S.214).

Transistoren werden neben der beschriebenen Funktion als Schalter (und demnach als Steuerelement) auch als Verstarkerelement eingesetzt, dies wird jedoch hier nicht weiter betrachtet (ebd., S.224).

Feldeffekttransistoren bestehen ebenfalls aus drei dotierten Schichten aus Halbleiter- materialien. Die mittlere Halbleiterschicht, also das Gate, ist jedoch durch einen Isolator abgetrennt und nicht mehr mit dem Strom verbunden (Biere, 2008, S.44f). Feldeffekt- transistoren sind demzufolge nicht wie Bipolartransistoren stromgesteuert, sondern spannungsgesteuert (Bressler et al., 2017, S.167). Im Gegensatz zu den Bipolartransis- toren sind Feldeffekttransistoren also unipolare Transistoren. Dies bedeutet, dass nur ein Ladungstrager beteiligt ist, und zwar entweder die Elektronen (N-Kanal) oder die Locher (P-Kanal). Der elektrische Strom wird bei Feldeffekttransistoren entweder uber die Isolierschicht oder die gesperrte Diode gesteuert. Des Weiteren unterscheidet man zwischen sogenannten Anreicherungstypen und Verarmungstypen jeweils als n-Kanal und p-Kanal Variante. Grundsatzlich erfolgt durch entsprechende Dotierung eine Anrei- cherung bzw. Reduzierung der Elektronen des Halbleiterkanals. In hochintegrierten Schaltungen, wie zum Beispiel ASIC oder FPGA, kommt vorwiegend die CMOS-Tech- nologie zum Einsatz. Merkmale, die die CMOS-Technologie auszeichnet, sind der nied- rige Ruhestrom und die niedrige Anfalligkeit gegenuber Storungen. Aus diesen Grunden wird im Rahmen dieser Hausarbeit im Folgenden die CMOS-Technologie kurz genauer betrachtet (Gehrke et al., 2012, S.55, S.69-71). Bei der CMOS-Technologie ist das Gate durch ein Oxid abgetrennt, was auch der Grund fur den Namen ist: Complementary Me­tal Oxide Semiconductor (Fricke, 2018, S.39). Ein CMOS-Schaltkreis besteht aus einem 4 p-Kanal (auch PMOS genannt) Transistor und einem n-Kanal Transistor (auch NMOS- Transistor), die auf einem Substrat zusammen vereint sind (Biere, 2008, S.45f). Da die Transistoren komplementar sind, leitet immer einer, wahrend der andere gesperrt ist. Durch die Sperrung wird im Ruhezustand kaum elektrische Leistung benotigt (Busch, 2015, S-284).

Um eine bessere Vorstellung von Transistoren zu bekommen wurde Abbildung 3 erstellt. Sie zeigt verschiedene Arten und Bauweisen von den oben genannten Transistoren.

Abbildung 3: Darstellung verschiedener Transistoren

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Quelle: eigene Darstellung).

2.3 Integrierter Schaltkreis

Basis fur integrierte Schaltungen ist die Mikroelektronik (vgl. Busch, 2015, S.281). Inte- grierte Schaltungen gehoren zu den elektronischen Schaltungen. Bestandteile sind ver- schiedene, auf engstem Raum kombinierte passive und aktive elektronische Bauele- mente, wie zum Beispiel Transistoren, Dioden oder Kondensatoren (Bressler et al., 2017, S.405).

2.3.1 Entwicklung und Aufbau integrierter Schaltungen

Bei der Entstehung integrierter Schaltungen war das Ziel, die Schaltung elektronischer Bauelemente kompakter auf sehr kleinem Raum zu realisieren (Busch, 2015, S.281). Als erster integrierter Schaltkreis gilt der im Jahr 1958 entwickelte Schaltkreis von Kilby. Er basierte auf zwei Bipolartransistoren, Widerstanden und Dioden, die alle mit einem UND-Gatter auf demselben winzigen Material angebracht werden. Somit war der erste integrierte Schaltkreis (auf Englisch: integrated Circuit = IC) erfunden (Gehrke et al., 2012, S.53).

Anfang der 60er Jahre entwickelte der Physiker Noyce dann die komplette Unterbrin- gung mehrerer Halbleiterbauelemente (vor allem Transistoren) auf einem einkristallinen Material. Bei dem Substrat handelt es sich um eine Siliziumplatte, dem sogenannten Halbleiterkristall oder auch Chip. Die vorrangig verwendeten Transistoren werden dabei nebeneinander gegliedert und uber die Bahnen der Halbleiter gekoppelt. Diese Entwick­lung stellte den Durchbruch der monolithischen integrierten Schaltungen dar. Noyce mel- dete die Erfindung anschlieBend zum Patent an (Busch, 2015, S.281). Monolithische integrierte Schaltkreise finden seit der Erfindung bis zum heutigen Tag noch immer die meiste Verwendung in der Digitaltechnik (Gehrke et al., 2012, S.53).

Nach diesem entscheidenden Durchbruch und relevanten Projekten der US-Regierung in den 60er Jahren wurde die Erfindung immer mehr nachgefragt und gewann zuneh- mend an Bedeutung (Gehrke et al., 2012, S.53). Bei den Anfangen der integrierten Schaltung konnte man anfangs bis zu 50 Transistoren zusammenfassen, heutzutage ist es moglich mehr als eine Milliarden Transistoren zu integrieren (Gehrke et al., 2016, S.7). Integrierte Schaltungen haben in der heutigen Zeit einen sehr hohen Stellenwert, da sie die komplette Elektronik revolutioniert haben und in vielen wichtigen Bereichen, wie zum Beispiel in Computern, Anwendung finden. (Busch, 2015, S.281).

2.3.2 Potenziale integrierter Schaltungen

Die Zusammenfassung von elektronischen Bauelementen hat zum Vorteil, dass durch die enge Anordnung auBere Storungen minimiert werden und die Induktivitat und Ka- pazitat der Halbleiter abnimmt. Des Weiteren werden hohe Frequenzen durch die Ver- kurzung der Schaltlaufzeiten ermoglicht (Fischer, 2019, S.223). Integrierte Schaltungen haben wenige bis keine Lotverbindungen. Dies fuhrt dazu, dass sich Schaltungsde- fekte verringern und die Zuverlassigkeit der Schaltungen gesteigert wird. Bei einem ge- eigneten Gehause wird die Funktionsstorung der Halbleiter durch Fremdkorper (z.B. Staub) vermieden (Busch, 2015, S.281). Neben der Zuverlassigkeit und Kompaktheit der integrierten Schaltungen ist ein weiterer Vorteil, dass die Schaltungen im Vergleich durch die Massenproduktion meist billiger sind (Bressler et al., 2017, S.405).

3 Aufbau und Definition kundenspezifischer integrierter Schal- tungen

Im Folgenden werden kundenspezifische integrierte Schaltungen erlautert. Dabei liegt der Fokus auf der Gruppe der ASIC, den ASSP und den FPGA.

3.1 ASIC

ASIC ist ein Akronym fur ..Application Specific Integrated Circuits" und bezeichnet an- wenderspezifische integrierte Schaltungen (Chinnery & Keutzer, 2007, S.1f). Erfunden wurden ASIC Mitte der 60er Jahre und vermehrt werden sie seit Anfang der 80er Jahre eingesetzt. ASIC ermoglichen uber 400 Anschlusse zusammengefasst auf dem Chip (Bressler et al., 2017, S.659). Ein ASIC basiert auf vielen logischen Grundbausteinen. Diese werden auf einer Siliziumplatte zusammengefasst, die nur einige Quadratmillime­ter groB ist (Gehrke et al., 2016, S.210). Verwendet werden konnen nach Bedarf Logik- bausteine wie Logikgatter und Flip-Flops's. (Gehrke et al., 2016, S.8) ASIC lassen sich an die Kundenwunsche anpassen. Dabei wird zwischen zwei Arten von ASIC unterschie- den: die Halbkundendesign-ASIC und die Vollkundendesign-ASIC (Fricke, 2018, S.187f).

Bei den Halbkundendesign-ASIC (auch semi-custom genannt) besteht bereits eine vorgefertigte Struktur der Bauelemente. Diese werden dann nach Anforderung des An- wenders durch ein programmierbares Verknupfungsfeld oder zusatzlichen Metallisie- rungsebenen nachtraglich verdrahtet (Bressler et al., 2017, S.659). Dies wird anhand von Hardwarebeschreibungssprachen, wie zum Beispiel VHDL, durchgefuhrt (Gehrke et al., 2012, S.75).

Vollkundendesign-ASIC (auch full-custom ASIC genannt) haben keine vorgefertigte Struktur. Sie werden vom Halbleiterhersteller komplett nach Wunsch des Anforderers auf Transistorebene entworfen und angepasst (Gehrke et al., 2012, S.76). Diese ASIC Art wird meistens fur eine spezielle Aufgabe des Kunden gefertigt (Busch, 2015, S.301). Durch die kundenspezifische Entwicklung konnen ASIC meist nicht auf dem freien Markt erworben werden und sind nur nach Freigabe des Anfordernden erhaltlich (Bressler et al., 2017, S.685).

3.2 ASSP

ASSP ist ein Akronym fur ..Application Specific Standard Products". ASSP sind inte- grierte Schaltungen und identisch aufgebaut zu ASIC. Im Gegensatz zu ASIC sind ASSP jedoch frei am Markt erwerblich. Sie werden also nicht speziell nach dem Wunsch eines einzigen Kunden entworfen (Gehrke et al., 2016, S.211). Oftmals entstehen ASSP durch geforderte Projektvorhaben oder Forschungslabore. Bei ASSP handelt es sich oftmals um Standardbauelemente, die an kundenspezifische Gruppen verkauft werden (Bressler et al., 2017, S.685). ASSP konnen aber auch fur eine spezielle Funktion optimiert und auf dem Markt angeboten werden (Gehrke et al., 2016, S.211). Anwendungsgebiete und Funktionen werden beispielhaft in Kapitel vier aufgezeigt.

3.3 FPGA

FPGA steht im Englischen fur „Field Programmable Gate Array“. Es handelt sich dabei um eine integrierte Schaltung mit vorgefertigten Standardbausteinen, die am Markt frei verfugbar sind. Die integrierte Schaltung enthalt jedoch Logikbausteine, die vom Kunden nach seinen Anforderungen programmiert werden (Gehrke et al., 2016, S.9).

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