Les ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) sont des circuits intégrés conçus pour réaliser une fonction précise. Contrairement aux FPGA, qui peuvent être reprogrammés après leur fabrication, un ASIC est fabriqué pour une application déterminée et son fonctionnement ne peut plus être modifié.

Cette spécialisation permet d'obtenir des performances très élevées, une consommation électrique réduite, une grande fiabilité et un coût de fabrication très faible lorsque les quantités produites sont importantes.

Les ASIC sont utilisés dans les smartphones, les consoles de jeux, les équipements réseau, les appareils photo, les cartes bancaires, les véhicules, les satellites et de nombreux appareils électroniques du quotidien.

Le principe de fonctionnement

Avant sa fabrication, un ASIC est entièrement conçu et simulé par des ingénieurs en électronique numérique.

Toutes les fonctions nécessaires sont intégrées directement dans la puce : unités de calcul, mémoires, interfaces de communication, contrôleurs ou accélérateurs matériels.

Une fois la conception terminée, les masques de fabrication sont réalisés puis utilisés pour produire les puces dans une usine spécialisée.

Après cette étape, l'architecture interne de l'ASIC devient définitive et ne peut plus être modifiée.

Pourquoi utiliser un ASIC ?

Un processeur exécute un logiciel pour réaliser différentes tâches, tandis qu'un ASIC effectue directement les opérations pour lesquelles il a été conçu.

Il n'a donc pas besoin d'interpréter des instructions générales, ce qui lui permet de travailler plus rapidement tout en consommant moins d'énergie.

Par exemple, un circuit chargé uniquement de décoder un flux vidéo pourra être beaucoup plus efficace qu'un processeur exécutant un logiciel réalisant la même tâche.

Les différentes familles d'ASIC

Il existe plusieurs catégories d'ASIC selon leur méthode de conception.

Les ASIC entièrement personnalisés (Full Custom) sont dessinés entièrement à partir des transistors. Ils offrent les meilleures performances mais demandent un travail de conception très important.

Les ASIC à cellules standard (Standard Cell) utilisent des bibliothèques de blocs électroniques déjà conçus, ce qui accélère leur développement.

Les ASIC semi-personnalisés utilisent des structures préfabriquées qui sont adaptées à l'application recherchée.

La conception

La conception d'un ASIC débute par l'étude des fonctions que devra réaliser le futur circuit.

Les ingénieurs décrivent ensuite son fonctionnement à l'aide de langages comme VHDL ou Verilog.

Le circuit est simulé afin de vérifier son fonctionnement, puis des logiciels spécialisés placent automatiquement les millions de portes logiques, les mémoires et les interconnexions sur la puce.

Lorsque toutes les vérifications sont terminées, les fichiers de fabrication sont envoyés à la fonderie.

Les performances

Les ASIC sont optimisés pour leur tâche spécifique.

Ils fonctionnent généralement plus rapidement qu'un FPGA réalisant le même traitement et consomment moins d'énergie.

Comme toutes les ressources de la puce sont utilisées uniquement pour l'application prévue, les performances sont particulièrement élevées.

La consommation électrique

L'une des principales qualités des ASIC est leur faible consommation.

Les circuits inutiles sont supprimés et chaque partie est optimisée afin de limiter les pertes d'énergie.

Cette caractéristique est particulièrement importante dans les smartphones, les objets connectés et les équipements alimentés par batterie.

Le coût de fabrication

Le développement d'un ASIC est très coûteux.

La conception, les simulations et la fabrication des masques représentent un investissement pouvant atteindre plusieurs millions d'euros.

En revanche, lorsque la production atteint plusieurs centaines de milliers ou plusieurs millions d'exemplaires, le coût de chaque puce devient très faible.

C'est pourquoi les ASIC sont surtout utilisés dans les produits fabriqués en très grande série.

Les limites des ASIC

Une fois fabriqué, un ASIC ne peut pratiquement plus être modifié.

Si une erreur importante est découverte ou si de nouvelles fonctions doivent être ajoutées, il est souvent nécessaire de concevoir une nouvelle version de la puce puis de relancer toute la fabrication.

Cette absence de flexibilité constitue la principale différence avec les FPGA.

Les ASIC et les SoC

De nombreux ASIC modernes regroupent plusieurs fonctions sur une seule puce.

Ils peuvent intégrer un ou plusieurs processeurs, des mémoires, des accélérateurs graphiques, des contrôleurs réseau, des modules radio ou encore des circuits d'intelligence artificielle.

Lorsqu'un ASIC rassemble ainsi l'ensemble des fonctions principales d'un système électronique, on parle généralement de SoC (System on Chip).

Les applications

Les ASIC sont utilisés dans les smartphones, les consoles de jeux, les cartes graphiques, les appareils photo numériques, les décodeurs vidéo, les cartes bancaires, les modems Internet, les routeurs, les systèmes automobiles, les satellites, les équipements médicaux et de nombreux appareils électroniques grand public.

Ils sont également employés dans les centres de données pour accélérer certaines tâches comme le chiffrement, la compression de données ou l'intelligence artificielle.

Les ASIC spécialisés

Certains ASIC sont développés pour une seule application très particulière.

Par exemple, les ASIC de minage sont conçus pour effectuer très rapidement les calculs nécessaires à certaines cryptomonnaies.

D'autres ASIC accélèrent exclusivement le traitement vidéo, la reconnaissance vocale, la vision artificielle ou les calculs d'intelligence artificielle.

Quelques ASIC célèbres

Les processeurs des smartphones modernes, les circuits de gestion des SSD, les contrôleurs USB, les puces Wi-Fi, les décodeurs vidéo des téléviseurs, les circuits Apple de la série A, de nombreux circuits Qualcomm Snapdragon ainsi que les processeurs Google Tensor sont des exemples d'ASIC développés pour des applications spécifiques.