ASIC 設計とは?

ASIC（読み方：エーシック）とは、「Application Specific Integrated Circuit」の略称であり、特定のアプリケーションに最適化された高性能なIC（半導体集積回路/Integrated Circuit）のことを指します。カスタム設計されたICであり、特定の機能を実現するために最適化されています。これからASICに入門する方のために、どんなものなのか見ていきましょう。

※ICとは一つのチップ上に電子回路の構成要素であるトランジスタ、抵抗、コンデンサーなどをまとめたデバイスです。

私たちの身の回りには、スマートフォンやゲーム機など、このASICのお陰で動いているガジェットが山のようにあります。

ASICの特徴

ASICには以下の特徴があります。

• 高性能：専用の回路で構成するため、そのアプリケーションに必要な機能のみを持つことができます。そのため、ASICは非常に高速で、処理能力が高いことが特徴です。
• 省電力：特定のアプリケーションに最適化されているため、必要な機能のみを持つことができます。そのため電力効率が高くなります。暗号通貨のマイニングではGPUやFPGAが使われることがありますが、電力と性能を極限まで高めようと思うと、最終的にはそれら性能が最も高いASICを使用することになります。

• イニシャルコストが高い：ASICの設計や製造には、多大なコストがかかります。専用の回路であるため、大勢のエンジニアが設計に携わり、いくつものプロセスを経て製造されます。そのため、製品の開発コストが高く、開発および製造期間も長くなるため、チップが市場に出回るまでに数ヶ月～数年の時間がかかり、他の競合製品に追いつかれる可能性があります。
• 先端の製造プロセスが使われる：「回路の線幅が何nmの製造プロセスで・・・」といったことが論じられることがありますが、これはASICの製造プロセスのことです。線幅が細くなるほど、チップサイズは小さく、消費電力は小さくなり、処理速度は高速になります。最先端の製造プロセスを使うには、製造装置の値段も高価になるため製造コストが上がりますが、線幅が細くなるほど、同じ処理を行う回路で比較しても高性能かつ省電力になります。

ASICはこんなところで使われている

ASICは特定の機能用途に多岐にわたる分野で使用されています。以下は主な分野の例です。

（1）    コンシューマエレクトロニクス

スマートフォン、テレビ、PC、ゲーム機、掃除機など何百万台も製造されるような家電製品では、特定機能用途にASICが搭載されます。

（2）自動車

ADAS (先進運転支援システム)、インフォテインメントシステム、エンジン制御ユニットなど、自動車に関連する多くのシステムで使用されます。自動車には、複数のセンサーが搭載されており、それらのデータを収集して、運転支援や安全装置に活用されます。例えば、車速センサーやエンジンセンサーなどがありますが、これらのセンサーからのデータを処理するのに、ASICが使用されます。その一方、ステレオカメラのシステムなどではFPGAが使われるケースもあります。  

ASICと比較されるデバイス

ASICとよく比較される似たデバイスとして、内部構造が異なるFPGA、販売ルートが異なるASSP、デバイス内部構成を示すSoCなどがあります。

FPGAとは？

また、回路が固定されており、機能変更が出来ないASICに対して、同じような機能をプログラマブルに書き換えることができるデバイスとしてFPGA（Field Programmable Gate Array）があります。FPGAはASICを開発する際に様々な用途で利用されます。

1. プロトタイピング

ASICの設計変更は高コストなため、実際に製造する前にその機能や性能をテストしたい場面があります。FPGAはプログラム可能なハードウェアであるため、ASICのデザインを模擬して、実機上で動作させることができます。このようにして、設計エラーを早期に発見し、修正することができます。

2. ソフトウェアとの同時開発

ASICの製造は時間がかかるため、製造中にFPGAを使用して先行してソフトウェアの開発を進めることができます。ASICのデザインをFPGAに実装することで、ソフトウェア開発者は実際のハードウェア環境に近い状態でソフトウェアのテストや開発を進めることができます。

3. 実機検証

ASICのデザインは極めて複雑なため、シミュレーションだけですべてのケースを確認するのは困難です。FPGAを用いることで、高速に多くのテストケースでテストすることが出来ます。

4. 市場への早期投入

FPGAの単価はASICよりも高価なことが多いため、大量生産には向いていませんが、新しい製品を早期に市場投入する「プレリリース」や「試作」段階でFPGAを搭載した製品をリリースすることがあります。これにより、市場の反応を早期に得たり、顧客からのフィードバックを受け取りながら、最終的なASICのデザインをより良いものとしてブラッシュアップさせることができます。

ASSPとは？

特定アプリケーション向けでも、市場で購入できる汎用ICも存在します。これは、ASSP（Application Specific Standard Product ）と呼ばれます。ASSPは、特定のアプリケーションの要件を満たすために設計されていますが、複数の顧客やアプリケーションで使用されることが特徴です。例えば、オーディオ処理、映像処理、通信インターフェイスなどの特定の機能を持つ製品が考えられます。ASSPは、ASICと比べて開発コストや時間が削減されることが多いです。これは、ASSPが複数の顧客やアプリケーションで共有されるため、開発コストを分散できるからです。

SoCとは？

更に、チップ上にメモリ、CPU、特定用途向け専用回路、各モジュール間で信号をやり取りするデータバス、I/Oなど、複数の機能を統合しているデバイスSoC（System On Chip）があります。SoCにも特定アプリケーション向けのASIC SoC（カスタムSoC）、汎用SoC、SoC FPGAなどがあり、目的、用途、使用する数量に応じて使い分けられます。

ASICの先端的な設計手法

ASICやFPGAの設計においては、高位合成やモデルベースデザインのような高レベルの設計手法が登場し、重要性を増してきました。それには以下のような背景や利点があります。

C言語ベース高位合成

RTL設計では、具体的なハードウェアの動作を記述する必要があります。これは設計およびデバッグに膨大な時間を必要とするため、複雑なアルゴリズムやアプリケーションを設計するには困難が伴います。

特徴：C高位合成は、C、C++、SystemCのような高レベルの言語を使用してハードウェアの動作を記述し、自動的にVHDLやVerilogなどのHDLコードに変換します。

モデルベースデザイン

モデルベースデザインは、MATLABやSimulinkのようなツールを使用して、システムの動作モデルをグラフィカルにブロック線図で記述して設計します。

特徴：グラフィカルインターフェースを使用することで、システムの動作やアーキテクチャを視覚的に理解しやすく、直感的に設計することができます。可視化や解析機能を使用して、モデルの動作を早期に検証することができます。モデルからはCコード、HDLコードのどちらも生成することができ、ソフトウェア、ハードウェアどちらにでも展開が可能です。

FPGAを使ったASICデザインの検証

ASICの製造には時間がかかるため、デザインの検証にはFPGAが用いられます。モデルベースデザインではFPGAを使ったテスト機能が提供されており、等価性検証を行うFPGA-In-the-Loop、AXIバスを介してデバッグするAXI Manager、内部信号をモニターするFPGA Data Captureなどの機能があります。

高レベル設計手法が利用される背景

高レベルの設計手法の重要性が増してきた背景には次のような要因があります。

●システムの複雑さの増加

エレクトロニクス製品およびASICには、年々より高い機能が求められます。このような高度に複雑なシステムを低レベル言語（RTL）で設計するのは非常に時間がかかり、また記述ミスなどのエラーのリスクが高くなります。C言語やモデルでは、複雑な機能設計および検証が容易になります。

●異なる分野のエンジニアの協業が容易

ソフトウェアとハードウェアが協調して動作するようなより複雑なシステムが増加するにともない、ハードウェアエンジニアしか理解できないHDLで設計するのではなく、エンジニア間でのコラボレーションが容易なブロック線図で記述したモデルを共通言語として用いることで、コミュニケーションや共同作業が容易になります。

まとめ

ASICは、高速処理や省電力化、信頼性の高さ、大量生産に向いているなどのメリットがあります。昨今のエレクトロニクス製品には必ずと行っていいほどASICが使用されており、無くてはならない存在です。しかし、設計や製造には多大な手間がかかるため、製品の開発コストが高く、市場に出るまでに時間がかかることが欠点として挙げられます。今後も、ASICは、様々な分野で使用されることが期待されています。