ASICとは

　ASICとはApplication Specific Integrated Circuitの頭文字をとった略で、和訳は特定用途向けの集積回路です。「カスタムIC」や「カスタムLSI」と呼ばれることもあり、ある特定の動作をさせるために作られたICです。とても小さな半導体のチップに電気回路を書き込んで作るので、１枚がとても小さく安価で小型化と量産にかなり優れているという特徴があります。一方で、すでに書き込んであるので、後から回路の変更を行うことができないというデメリットもあります。

汎用ICやASSPとの違い

　汎用IC、ASSP、ASICには、それぞれ異なる特徴があります。汎用ICは市販されている既製品で、ASSPは特定の用途向けにあらかじめ設計された標準品、ASICは顧客や製品の要求仕様に合わせて専用設計するICです。これらは、回路の設計方法や開発費用、量産時のコスト、製品サイズなどに違いがあります。

汎用ICは、メーカーがあらかじめ設計・製造し、市販している既製品のICです。例えば、論理回路や増幅回路などの機能を持つICを必要に応じて組み合わせることで、製品の回路を構成できます。既存のICを組み合わせて回路を構成するため、設計や回路変更の自由度が高く、試作や少量生産に適しています。一方で、複数のICを個別に配置する必要があるため、部品点数が増えやすく、製品の小型化が難しくなる場合があります。また、部品ごとの購入費用や実装費用が必要となるため、大量生産ではASICと比較して1個あたりのコストが高くなる場合があります。

ASSPは、メーカーが特定の用途に必要な機能をあらかじめ組み込んで設計し、標準製品として販売するICです。用途に合ったASSPがあれば、回路を一から設計・開発する必要がないため、開発期間や初期費用を抑えやすくなります。必要な機能が一つのICにまとめられているため、複数の汎用ICを組み合わせる場合と比較して、部品点数や実装スペースを削減できる可能性があります。そのため、ASSPは汎用ICよりも小型化や量産時のコスト面で有利になる場合があります。ただし、既製品であるため、製品ごとに回路を変更することは基本的にできません。

ASICは、特定の製品や顧客の要求仕様に合わせて、回路を専用に設計・開発するICです。必要な機能や性能に合わせて回路を最適化できるため、汎用ICやASSPでは実現が難しい製品仕様にも対応できます。ASICの製造では、設計した回路を半導体ウェハー上に形成し、1枚のウェハーから多数のICを製造します。必要な機能だけを組み込んで回路を最適化できるため、製品の小型化や低消費電力化、部品点数の削減などにつなげられる可能性があります。

また、ASICは既製品を購入するのではなく、メーカーに直接開発を依頼する形になるため、開発内容や生産数量などの条件に応じて、価格や契約条件を交渉できる場合があります。量産数量が多い場合には、1個あたりのコストを抑えやすいことも特徴です。
一方で、専用設計には回路設計やシミュレーション、試作、評価、製造などの工程が必要となるため、開発には高い初期費用と一定の期間が必要です。また、完成品の状態からICを開いて回路を変更することはできないため、要求仕様や生産数量などを踏まえて開発を検討することが重要です。

レストランなどで食事をする際の料理の頼み方に例えると、汎用IC・ASSP・ASICの違いは以下のようにまとめることができます。

• 汎用IC
  前菜、メイン、デザートなどを一つずつ注文するように、自分の好みに合わせて料理を自由に組み合わせることができます。
  
• ASSP
  あらかじめ料理が組み合わされたコースやセットメニューのように、すでに用意された組み合わせの中から、自分の好みに近いものを選ぶことができます。
  
• ASIC
  常連客のように何度も通って自分の好みを知ってもらい、アレルギーのある食材を除いたり、好きな料理を加えたり、栄養管理に合わせてセット料理の内容を調整してもらい、注文の際に「いつもの！」と注文するだけで頼むことができるような形です。

ASICの種類と分類

フルカスタムIC

フルカスタムICは、素子の配置など、回路構成などを、製品の要求仕様に合わせて一から設計する方式です。
回路の構成だけでなく、チップ上のレイアウトまで自由に設計できるため、高い集積度や性能、低消費電力化を追求できます。製品専用の高度な最適化が可能である一方、設計や検証に多くの時間と費用が必要です。
小型化が求められる機器などの、チップの性能や面積が製品価値に大きく影響する用途で採用されます。

セミカスタムIC

セミカスタムICは、あらかじめ用意された回路構造や基本セルを利用し、その一部を顧客の要求仕様に合わせて設計する方式です。
フルカスタムICと比較すると設計の自由度は制限されますが、設計資産を再利用できるため、開発期間や初期費用を抑えやすいという特徴があります。
セミカスタムICには、主に以下の方式があります。

ゲートアレイ

ゲートアレイ方式は、ウエハ上に回路素子をあらかじめ形成しておき、顧客の仕様に合わせて主に配線層を設計する方式です。
トランジスタなどの基本構造を共通化できるため、フルカスタムICよりも短期間で開発しやすく、初期費用も抑えられます。一方で、利用できる回路構造があらかじめ決まっているため、回路面積や性能、消費電力の最適化には限界があります。

エンベデッドアレイ

エンベデッドアレイ方式は、ゲートアレイを基本としながら、メモリやアナログ回路、特定の機能ブロックなどをチップ内部に組み込む方式です。
共通化された回路構造を利用しつつ、製品ごとに必要な機能を追加できるため、ゲートアレイ方式よりも柔軟な設計が可能です。
ただし、組み込む機能によって設計や検証の難易度が高くなり、開発期間や初期費用も増加する場合があります。

スタンダードセル・セルベース

スタンダードセル方式は、論理ゲートやフリップフロップなど、あらかじめ設計・検証された基本セルを組み合わせて回路を構成する方式です。
基本セルを利用することで設計効率を高めながら、セルの配置や配線、回路構成を製品仕様に合わせて設計できます。ゲートアレイ方式よりも設計自由度が高く、回路面積や性能、消費電力の最適化にも対応しやすい方式です。
現在のデジタルASICでは、スタンダードセル方式が広く利用されています。

ストラクチャードASIC

ストラクチャードASICは、ゲートアレイとスタンダードセル方式の中間に位置する方式です。
あらかじめ用意されたトランジスタや基本回路ブロック、配線構造などを利用し、必要な部分を顧客仕様に合わせて設計します。完全に一から設計するフルカスタムICと比較して、設計資産を再利用しやすく、開発期間や初期費用を抑えられます。
一方で、あらかじめ決められた構造を利用するため、フルカスタムICほどの自由度はありません。
ストラクチャードASICは、一定の性能や機能を確保しながら、開発期間とコストのバランスを重視する用途に適しています。

デジタル・アナログ・ミックスドシグナル

ASICは、処理する信号の種類によって、デジタルASIC、アナログASIC、ミックスドシグナルASICに分類できます。

デジタルASICは、0と1のデジタル信号を処理する集積回路です。
論理演算、データ処理、制御、通信処理などを行う回路が含まれます。CPUや画像処理回路、通信制御回路、各種制御用ICなどが代表例です。デジタルASICでは、論理回路の構成や処理速度、消費電力、回路面積などが重要になります。

アナログASICは、電圧や電流など、連続的に変化する信号を処理する集積回路です。
センサー信号の増幅、電圧・電流の検出、フィルタリング、基準電圧の生成、電源制御などに使用されます。
アナログASICでは、トランジスタの特性、ノイズ、温度変化、オフセット、ばらつきなどを考慮した設計が必要です。そのため、デジタル回路とは異なる設計ノウハウが求められます。

ミックスドシグナルASICは、デジタル回路とアナログ回路を1つのチップに集積したASICです。
例えば、センサーから入力されたアナログ信号を増幅し、A/Dコンバータでデジタル信号に変換して処理する回路などが該当します。
ミックスドシグナルASICでは、アナログ回路とデジタル回路を同一チップ上に配置するため、電源ノイズや信号干渉、レイアウト、接地設計などを総合的に考慮する必要があります
センサー、車載機器、産業機器、通信機器、計測機器など、現実の物理量を検出してデジタル処理する製品で多く利用されています。

方式別の開発期間・初期費用・集積度・設計自由度の比較表

ASICの方式によって、開発期間、初期費用、集積度、設計自由度は異なります。一般的な傾向は以下のとおりです。

※ただし、実際の開発期間や費用は、回路規模、使用する製造プロセス、パッケージ、アナログ回路の有無、検証内容、試作回数、量産数量などによって大きく変わります。

特にアナログASICやミックスドシグナルASICでは、回路設計だけでなく、プロセス特性の確認、レイアウト後のシミュレーション、ノイズや温度変化の評価などが必要になるため、同じ回路規模であってもデジタルASICより開発期間が長くなる場合があります。

ASICとFPGA・CPLDの違い

　ASIC、FPGA、CPLDはいずれも、ユーザーが必要とする論理回路を実現するための半導体ですが、回路の実現方法や開発方法が大きく異なります。
ASICは、特定の製品や用途に合わせて回路を専用設計するのに対し、FPGAやCPLDは、製品出荷後でも回路構成を変更できます。
そのため、開発期間、初期費用、量産時のコスト、性能、消費電力、設計変更への対応などにそれぞれ特徴があります。

FPGAとCPLDの特徴

FPGA（Field Programmable Gate Array）は、ユーザーが内部の論理回路をプログラムによって構成できる半導体です。
ASICとは異なり、製造後でも回路構成を変更できるため、開発途中での仕様変更や、製品のアップデートにも対応しやすいという特徴があります。
専用のマスクを必要としないため、ASICと比較して初期費用を抑えやすく、試作や少量生産にも適しています。
一方で、FPGAはプログラマブルな回路構造を実現するためのリソースや配線を内部に持つことから、同じ機能をASICで実現した場合と比較して、チップ面積や消費電力、動作速度、量産時の単価などで不利になる場合があります。

CPLD（Complex Programmable Logic Device）は、FPGAと同じく製造後に論理回路を変更できるプログラマブルデバイスです。
一般的にFPGAよりも小規模な論理回路を実現する用途に使用され、比較的単純な制御回路やインターフェース回路などに適しています。
また、電源投入時から比較的短時間で動作を開始できることや、論理回路の構成が比較的予測しやすいことも特徴です。
一方で、大規模な演算処理や複雑な回路を実現する場合には、FPGAの方が適しているケースがあります。

ASIC・FPGA・CPLD・ASSP・汎用マイコンの比較表

ASIC、FPGA、CPLD、ASSP、汎用マイコンは、いずれも電子機器の機能を実現するために使用される半導体ですが、それぞれ回路の構成方法や設計の自由度、開発期間、コストなどに違いがあります。
特に、製品開発では「回路を後から変更できるか」「量産時のコストを抑えられるか」「性能や消費電力をどこまで製品に合わせて最適化できるか」といった点が、デバイス選定の重要な判断材料になります。以下では、それぞれの特徴を比較します。

このように、ASIC・FPGA・CPLD・ASSP・汎用マイコンには、それぞれ異なる特徴があります。
FPGAやCPLDは、製造後でも回路を書き換えられるため、試作や仕様変更が多い製品に適しています。また、汎用マイコンは、既存のハードウェアとソフトウェアを利用して幅広い用途に対応できるため、開発の柔軟性に優れています。

一方、ASSPはメーカーが特定の用途に合わせてあらかじめ設計したICであり、必要な機能に合った製品があれば、専用ICを開発することなく利用できます。
ASICは、製品に必要な機能や性能に合わせて回路を専用設計できるため、量産時のコストや小型化、低消費電力化、性能などを製品仕様に合わせて最適化しやすいことが特徴です。そのため、製品仕様が固まっており、長期間にわたって量産する製品や、既存のICでは要求仕様を満たせない場合には、ASICが有力な選択肢となります。

重要なのは、どのデバイスが一律に優れているかではなく、開発段階、生産数量、要求性能、コスト、将来的な仕様変更の可能性などを踏まえて、製品に適したデバイスを選択することです。

生産数量・性能・開発期間による選び方

ASIC、FPGA、CPLD、ASSP、汎用マイコンのどれを選ぶかは、単純にデバイスの性能だけで決めるものではありません。生産数量・求められる性能・開発期間など、製品の条件を総合的に考えることが重要です。
1つ目は生産数量が重要です。生産数量が少ない場合は、初期費用の低いFPGA、CPLD、ASSP、汎用マイコンが選択肢になりやすくなります。

一方、長期間にわたって大量生産する製品では、専用設計によって量産時の単価を抑えやすいASICが選択肢となります。

ASICは開発時にマスク費用などの初期費用が必要になるため、少量生産ではその費用を製品1個あたりに分散しにくいという特徴があります。しかし、生産数量が増えるほど初期費用の影響が小さくなり、量産時の単価を抑えやすくなります。

2つ目に性能が重要です。高い処理性能や高速動作、低消費電力、小型化などを製品に合わせて追求したい場合は、ASICが適しています。
ASICでは、製品に必要な機能だけを専用回路として設計できるため、回路構成を最適化しやすいことが特徴です。

FPGAも高い処理性能を実現できますが、汎用的に回路を構成できる構造を持つため、同じ機能をASICで実現した場合と比較して、消費電力やチップ面積などで不利になる場合があります。
一方、ASSPや汎用マイコンは、すでに用意された製品から必要な性能・機能を持つものを選択するため、要求仕様に合った製品が見つかれば、専用設計を行わずに製品を開発できます。

3つ目に開発期間が重要です。短期間で製品を開発したい場合は、汎用マイコン、ASSP、CPLD、FPGAなど、すでに製品として提供されているデバイスが選択肢になります。
特にFPGAやCPLDは、製造後に回路構成を変更できるため、試作段階での仕様変更や動作検証にも対応しやすいという特徴があります。

ASICは専用回路の設計から検証、試作、評価、量産までの工程が必要になるため、一般的に他のデバイスよりも開発期間が長くなります。
その一方で、製品仕様が固まった段階でASICを採用することで、量産時のコストや性能、消費電力などを製品に合わせて最適化できます。

これらの3つの条件を総合して選択することが重要です。

実際の製品開発では、生産数量・性能・開発期間のどれか一つだけでデバイスを決定することはできません。

例えば、少量生産で短期間に開発したい場合はFPGAや汎用マイコンなどが候補になります。一方、長期間にわたって大量生産し、高性能・低消費電力・小型化を実現したい場合には、ASICが選択肢となります。
また、既存のASSPや汎用マイコンでは要求仕様を満たせないものの、FPGAでは量産時のコストや消費電力などに課題がある場合には、ASICへの置き換えを検討することもできます。

このように、デバイス選定では「今すぐ開発できるか」だけでなく、製品のライフサイクル全体を見据えて、開発期間・初期費用・量産数量・性能・将来的な仕様変更の可能性を比較することが重要です。

ASICのメリットとデメリット

ASICは、製品に必要な機能や性能に合わせて回路を専用設計できることが大きな特徴です。そのため、汎用ICやFPGAなどでは実現しにくい、小型化や低消費電力化、量産時のコスト低減などにつなげられる場合があります。
一方で、専用ICとして開発するため、初期費用や開発期間が必要となり、完成後の仕様変更にも大きなコストが発生します。

ここでは、ASICを採用する主なメリットとデメリットについて解説します。

ASICを採用するメリット

ASICは、製品に合わせて回路を専用設計できるため、汎用ICやFPGAにはないさまざまなメリットがあります。ここでは、ASICを採用することで得られる主なメリットを紹介します。

高性能と低消費電力を両立できる

ASICは、製品に必要な機能に絞って回路を設計できるため、回路構成を製品の要求仕様に合わせて最適化できます。

FPGAなどのプログラマブルデバイスでは、さまざまな回路を構成できるようにするための回路や配線が必要になります。一方、ASICでは必要な回路だけを専用に設計できるため、用途によっては高速化や低消費電力化を実現しやすくなります。

特に、限られた電力で動作させる必要がある機器や、高速な信号処理が求められる製品では、ASICによる専用設計が有効な選択肢となります。

小型化と部品点数の削減

ASICでは、複数のICや周辺回路が担っていた機能を、一つのICに集積できる場合があります。

これにより、基板上の部品点数や配線を削減し、製品全体の小型化につなげられます。また、部品点数が減ることで、基板設計の簡素化や実装工程の効率化、部品間の接続箇所の削減にもつながります。

特に、製品サイズに制約がある機器や、限られた基板スペースに多くの機能を搭載する必要がある製品では、ASICによる集積化が有効です。

量産時の単価低減

ASICは、開発時に設計費やマスク費用などの初期費用が必要になります。

その一方で、量産時には製品専用の回路として必要な機能を集積できるため、使用する部品数を減らしたり、1個あたりのICコストを抑えたりできる可能性があります。

特に生産数量が多い製品では、初期開発費用を多くの製品に分散できるため、1個あたりのコスト低減につながりやすくなります。

そのため、ASICは少量生産よりも、一定数量以上を長期間生産する製品でメリットを発揮しやすいという特徴があります。

回路をブラックボックス化でき模倣対策になる

汎用ICやFPGAを組み合わせて製品を構成する場合、外部から使用している部品や回路構成を確認できるケースがあります。

ASICでは、製品固有の回路を一つの専用ICに集積できるため、製品の重要な回路やノウハウをIC内部に組み込むことができます。

これにより、外部から回路構成を把握しにくくすることができ、製品固有の回路技術やノウハウの保護につながります。

ただし、ASIC化だけで模倣を完全に防げるわけではなく、実際のセキュリティ対策では、回路設計やソフトウェア、パッケージなどを含めた総合的な対策が必要です。

部品供給の安定化とEOL対策

製品に使用している汎用ICや特定メーカーのICがEOL（End of Life）となると、代替部品の選定や回路変更が必要になる場合があります。

ASICとして必要な回路を専用化することで、特定の既製ICに依存していた機能を自社製品向けのICに集約できる場合があります。

そのため、長期間にわたって生産する製品では、既製ICのEOLによる影響を抑え、製品の長期供給を支える選択肢となります。

また、EOLになったICの代替品が見つからない場合でも、既存回路を分析したうえでASICとして再構成することで、製品の継続生産につなげられる可能性があります。

ASICのデメリットと注意点

一方で、ASICは専用ICとして開発するため、初期費用や開発期間、完成後の仕様変更などに注意が必要です。ここでは、ASICを採用する際に考慮したい主なデメリットを紹介します。

初期開発費用とマスク費用が高額

ASICは、製品専用の回路を設計・製造するため、FPGAや汎用マイコンなどと比較して初期費用が大きくなりやすいというデメリットがあります。

回路設計、シミュレーション、レイアウト、検証、試作などの開発費用に加えて、半導体製造に必要となるマスク費用なども発生します。

そのため、生産数量が少ない製品では、初期費用を製品1個あたりに分散できず、ASIC化によるコストメリットを得にくい場合があります。

開発期間が長い

ASICは、仕様検討から回路設計、シミュレーション、レイアウト、検証、試作、評価、量産まで、多くの工程を経て製品化されます。

FPGAや汎用マイコンのように既製品を購入してすぐに使用できるわけではないため、一般的に開発期間は長くなります。

また、半導体の製造や試作には一定の期間が必要となるため、製品の発売時期から逆算して、早い段階からASIC開発を開始することが重要です。

完成後の仕様変更コストが大きい

ASICは専用に製造されたICであるため、完成後に回路を変更することは基本的にできません。

設計上の問題や仕様変更が発生した場合には、回路の再設計や再検証、再試作などが必要となる可能性があります。

そのため、開発初期の段階で要求仕様を十分に確認し、回路設計・シミュレーション・検証を慎重に行うことが重要です。

一方で、製品仕様が固まっている場合には、ASICの専用設計による性能・サイズ・消費電力・コストなどの最適化というメリットを活かしやすくなります。

ASICは「量産する製品」に適した選択肢

ASICには、初期費用や開発期間、仕様変更への対応などのデメリットがあります。そのため、すべての製品にASICが適しているわけではありません。

一方で、製品仕様が固まっており、長期間にわたって一定数量以上の生産が見込まれる製品では、ASICの専用設計によるメリットを活かせる可能性があります。

特に、高性能・低消費電力化、小型化、部品点数の削減、量産時のコスト低減、長期供給やEOL対策などを重視する場合には、ASIC化を検討する価値があります。

既存ICの置き換えやEOL対策を目的としたASIC開発では、現在使用している回路や製品仕様を整理し、必要な機能を専用ICとして再構成することで、製品の長期供給を支えることもできます。

ASICの開発・置き換えをご検討の方へ

ASIC化には、製品の仕様や生産数量、既存回路、求められる性能などによって、適した開発方法や構成が異なります。

「現在使用しているICをASIC化できるか」「EOLになったICの代替品を検討したい」「ASIC化によるコストメリットが見込めるか」など、ASICに関するご相談がございましたら、お気軽にお問い合わせください。

株式会社ジェピコセミコンダクターでは、アナログASICを中心に、製品の要求仕様に合わせたICの開発をサポートしています。

ASIC開発や既存ICの置き換えをご検討の際は、ぜひお気軽にご相談ください。

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