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Grips für Waschmaschinen, Messgeräte, Bitcoin-Miner und: Serverbeschleunigung Was sind Application Specific Integrated Circuits, ASIC?

| Autor / Redakteur: M.A. Jürgen Höfling / Ulrike Ostler

Anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC) haben eine große Variationsbreite und ein großes Anwendungsspektrum. Von der Waschmaschine über Messgeräte und Datacenter-Beschleunigern bis zu Bitcoin-Generatoren.

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ASIC-Bausteine sind das Herzstück des Bitcoin-Schürfrechners „Antminer S19“ der chinesischen Firma Bitmain.
ASIC-Bausteine sind das Herzstück des Bitcoin-Schürfrechners „Antminer S19“ der chinesischen Firma Bitmain.
(Bild: Bitmain Technology Holding Group)

Integrierte Schaltkreise, bei denen mittlerweile Milliarden von elektronischen Bauelementen auf einem hauchdünnen und nur wenige Quadratmillimeter großen Halbleiter-Substrat aufgebracht sind, haben unsere Lebenswelt in den letzten 70 Jahren grundlegend verändert. Vom PC über die verschiedenen Mobilfunk-Gerätschaften bis zu den modernen Hochleistungscomputern hängt alles an solchen winzigen Plättchen. Diese gibt es in immer mehr Varianten, die sich durch Einsatzfelder, Anwendungsflexibilität, Fertigungstiefe, Kostenstruktur und viele weitere Parameter unterscheiden.

Anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise oder kurz ASIC (für Application Specific Integrated Circuits) sind schon seit einem halben Jahrhundert eine wichtige Spezies in diesem „IC-Zoo“. Anders als universell einsetzbare Mikroprozessoren, die durch Software für eine bestimmte Aufgabe immer wieder neu fit gemacht werden, sind ASIC-Bausteine für eine ganz bestimmte Aufgabe oder ein ganz bestimmtes Gerät (sei es eine Waschmaschine, ein anspruchsvolles Messgerät, ein Datacenter-Beschleuniger oder ein „Schürfrechner“ für Bitcoins) ausgelegt. Der jeweilige ASIC-Baustein kann die vorbestimmte Aufgabe besonders gut bewältigen und ist oft nicht nur anwendungsspezifisch, sondern auch kundenspezifisch, aber der Baustein ist in der Regel eben auch nur für genau diese eine Aufgabe geeignet.

Eng-fokussierter Anwendungsbereich

Durch die zielgenaue Ausrichtung auf einen engen Anwendungsbereich sind ASIC-Bausteine nur dann rentabel, wenn sie in einer großen Stückzahl produziert werden. Bei Waschmaschinen ist die Rentabilität gut darzustellen, bei spezialisierten Messgeräten wie einem Logikanalysator ist der „Break Even“ für ein ASIC eher schwer zu erreichen. Denn ASIC-Bausteine benötigen für die Herstellung einen Großteil der fotolithografischen Prozesse (zum Beispiel Maskentechnologie), wie sie auch bei anderen integrierten Schaltkreisen verwendet wird, etwa bei einem Mikroprozessor:

Während letzterer aber universell einsetzbar ist, sind ASIC-Bausteine – wie schon gesagt –anwendungsmäßig stark eingeschränkt, nicht nur gegenüber einem universellen Mikroprozessor, sondern auch gegenüber Spezial-Prozessoren, wie sie etwa für Grafikanwendungen oder digitale Signalverarbeitung auf dem Markt sind. ASIC-Bausteine können in der Regel immer nur eines, sei es „Waschmaschine “, „Logikanalysator“, „Datacenter-Beschleuniger“ oder „Bitcoin-Miner“.

Freilich ist in unserer heutigen Industriewelt ASIC nicht immer gleich ASIC. Es gibt viele Variationsmöglichkeiten, die je nach Anwendungssituation sowie Zeit- und Kostenbudget ausgewählt werden. Das Spektrum reicht von Varianten, bei denen der Kunde die Komponente bis auf die Transistorebene hinab selbst „stylt“, über kunden- und produktspezifisches Design, das aus Standard-Makrozellen des Halbleiter-Herstellers, etwa Speicher und Codierer, zusammengebaut wird, bis hin zu vorkonfigurierten Standard-Schaltkreisen (Gate Arrays), bei denen nur die Art der Verknüpfung der Bauteile, also die Metallisierungsebenen des Chips, kunden- und produktspezifisch sind.

FPGA-Bausteine als ASIC-Alternative?

Wo Schnelligkeit und Flexibilität eine wichtige Rolle spielen, kann auch über den Einsatz von feldprogrammierbaren Gate Arrays (FPGA) anstelle von ASIC-Bausteinen nachgedacht werden. Dabei handelt es sich um Gatterstrukturen, die erst mithilfe eines Konfigurationsschemas, das die gewünschte Verschaltung der Gatter definiert, einsatzfähig werden.

Diese „Scharfschaltung“ der Bauteile ist viel kostengünstiger und ist schneller als bei ASIC-Bauteilen zu realisieren, da die zeit- und kostenintensiven fotolithografischen Arbeitsschritte (Maskenerstellung), die bei ASIC-Bauteilen anfallen, hier nicht nötig sind. Für die Erstellung des Schaltungsschemas („die Programmierung“) der FPGA-Bausteine stehen Beschreibungssprachen ähnlich den Programmiersprachen zur Verfügung.

Bei manchen FPGA-Typen kann das Schaltungsschema immer wieder gelöscht und ein neues Schema gespeichert werden, indem Techniken wie bei den nicht-flüchtigen Halbleiterspeichern (EEPROM) eingesetzt werden. Andere FPGA-Bausteine sind nur einmal programmierbar. Bei diesen wird die sogenannte Anti-Fuse-Technik verwendet, bei der die Isolationsschicht der FPGA-Rohlinge durch das Anlegen einer Programmierspannung unumkehrbar durchtrennt und dadurch das gewünschte Schaltungsdesign hergestellt wird.

Große Variationsbreite von ASIC-Bausteinen

Die eben beschriebene Programmierung der FPGA-Bausteine stellt sich freilich in der Theorie einfacher dar als in der Praxis. In dem Artikel „Welche Hardware eignet sich besser zur KI-Beschleunigung?“ auf diesem Portal wird jedenfalls der Einsatz von FPGA-Bausteinen, aber auch von klassischen ASIC, eher skeptisch beurteilt, zumindest wenn es um die Verwendung bei Hochleistungsrechner-Architekturen (hier für KI-Anwendungen) in Rechenzentren geht. Die Protagonisten plädieren hier eher für dedizierte Mikroprozessoren, also Grafik-Prozessoren oder Digitale Signalprozessoren.

Sicherlich ist eine solche Einschätzung stark von der jeweiligen persönlichen Expertise, Unternehmensgesichtspunkten und den Spezifika des jeweiligen Anwendungsfalls abhängig. Kaum bestritten werden kann indes, dass ASIC-Bausteine und die verwandten FPGA-Bausteine mittlerweile in so vielen technologischen Varianten angeboten werden, dass die Qual der Wahl entsteht. Oft ist auch die Unterscheidung zu herkömmlichen Prozessor-Produkten schwierig. So ist mancher ASIC-Baustein mitunter ein spezialisierter Signalprozessor mit RAM-Bausteinen oder auch ein ganzes Computersystem auf einem einzigen Chip.

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