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的需求，從根級設計、制造的專有應用程序芯片，其計算能力和計算效率可根據算法需要進行定制，是固定算法最優化設計的產物。ASIC 芯片模塊可廣泛應用于人工智能設備、虛擬貨幣挖礦設備、耗材打印設備、軍事國防設備等智慧終端。

在硬件層面，ASIC 芯片由基本硅材料、磷化鎵、砷化鎵、氮化鎵等材料構成。在物理結構層面，ASIC 芯片模塊由外掛存儲單元、電源管理器、音頻畫面處理器、網絡電路等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。

ASIC 芯片分類

(1) 根據定制程度不同，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。

① 全定制ASIC 芯片

全定制ASIC 芯片是定制程度最高的芯片之一，研發人員基于不同電路結構設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、機械結構。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 芯片設計成本較高，平均每單位芯片模塊設計時間超過9 周。該類芯片通常用于高級應用程序。

相對半定制化ASIC 芯片，全定制化ASIC 芯片在性能、功耗等方面表現優秀。如應對相同功能，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 芯片在性能上優于采用5 納米制程的半定制化ASIC 芯片。

② 半定制ASIC 芯片

構成半定制ASIC 芯片的邏輯單元大部分取自標準邏輯單元庫，部分根據特定需求做自定義設計。相對全定制ASIC 芯片設計成本較低，靈活度較高。

根據標準邏輯單元和自定義邏輯單元數量搭配模式不同，半定制ASIC 芯片可細分為門陣列芯片和標準單元芯片。

a、 門陣列芯片

門陣列ASIC 芯片包括有信道門陣列、無信道門陣列和結構化門陣列。門陣列ASIC 芯片結構中硅晶片上預定晶體管位置不可改變，設計人員多通過改變芯片底端金屬層等方式調整邏輯單元互連結構。

有信道門陣列ASIC 芯片：該類芯片晶體管位置高度固定，設計人員可在晶體管行之間預定義的空白空間進行電路布局;

無信道門陣列ASIC 芯片：無信道結構下，晶體管行之間不存在電路布局空間，設計人員通常于門陣列單元上方進行布線;

結構化門陣列ASIC 芯片：該結構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，但對芯片體積構成限制。該結構下，線路布局面積使用效率較高，設計成本較低，周轉時間較短。

b、 標準單元

該類ASIC 芯片由選自標準單元庫的邏輯單元構成。設計人員可按算法需求自行布置標準單元。除標準單元外，微控制器、微處理器等固定塊也可用于標準單元ASIC 芯片架構。

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。在實際生產過程中，將FPGA 芯片列為不同于ASIC 芯片的研究機構和企業數量不斷增加，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，在結構上包括基礎邏輯單元矩陣、觸發器、鎖存器等，其互連部分作為單個模塊存在。設計人員通過對PLD 進行編程以滿足部分定制應用程序需求。

(2) ASIC 芯片可根據終端功能不同分類為TPU 芯片、BPU 芯片和NPU 芯片。

① TPU 為張量處理器，專用于機器學習。如Google 于2016 年5 月研發針對

Tensorflow 平臺的可編程AI 加速器，其內部指令集在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。

③ NPU 是神經網絡處理器，在電路層模擬人類神經元和突觸，并用深度學習指令集直接處理大規模電子神經元和突觸數據。

ASIC芯片特點

CPU 等傳統芯片通過讀取、執行外部程序代碼指令而生成結果，相對而言，ASIC 芯片讀取原始輸入數據信號，并經內部邏輯電路運算后直接生成輸出信號。

(1) 優點：

相對CPU、GPU、FPGA 等類型芯片，ASIC 芯片在專用系統應用方面具備多元優勢，具體表現在如下幾方面。

① 面積優勢：ASIC 芯片在設計時避免冗余邏輯單元、處理單元、寄存器、存儲單元等架構，以純粹數字邏輯電路形式構建，有利于縮小芯片面積。應對小面積芯片，同等規格晶圓可被切割出更多數量芯片，有助于企業降低晶圓成本。

② 能耗優勢：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 集成優勢：因采用定制化設計，ASIC 芯片系統、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 芯片價格遠低于CPU、GPU、FPGA 芯片。當前全球市場ASIC 芯片平均價格約為3 美元，遠期若達到量產規模，ASIC 芯片價格有望保持持續下降態勢。

(2) 缺點：

① ASIC 芯片定制化程度較高，設計開發周期長，成品需要做物理設計和可靠性驗證，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，導致ASIC 芯片更新頻率較高。

③ 因ASIC 芯片定制化程度較高，研發周期相對漫長，擴大了ASIC 成品被市場淘汰的風險。

ASIC 芯片產品介紹

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 平臺和機器學習超級計算機。

② IBM 通過模擬大腦結構于2014 年8 月推出制程為28 納米的第二代TrueNorth芯片，可應用于實時視頻處理。

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處理器，無需附加主機處理器和輔助處理器，可應用于機器深度學習。

④ 斯坦福大學推出基于新神經形態計算架構的ASIC 芯片運算速度為普通電腦9,000倍，可模擬約100 萬個大腦神經元、幾十億個突觸連接。

⑤ 新興科創企業將ASIC 芯片應用拓展至安防、輔助駕駛、傳統家電、智慧醫療等領域。

參考來源：中國ASIC芯片行業精品報告

編輯：黃飛

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