Công nghệ chip bán dẫn trên smartphone

1. Giới thiệu về công nghệ chip bán dẫn trên smarphone

1.1. Tiến trình nm là gì?

Khi nói về chip (hay CPU viết tắt của từ Central Processing Unit nghĩa của nó là bộ vi xử lý trung tâm) trên smartphone, chắc hẳn mọi người cũng ko xa lạ gì với những cụm từ "tiến trình 10nm, tiến trình 28nm..." Vậy ký hiệu nm đó là gì? Đó chính là để chỉ kích thước tranzitor để tạo ra CPU hay GPU. Quy tắc chung cho công nghệ nm là khi tranzitor càng nhỏ và càng nhiều thì khả năng trao đổi dữ liệu trên một phiến bán dẫn càng lớn, điều đó cũng có nghĩa là kích thước tranzitor càng nhỏ thì hiệu năng của chip càng cải thiện. Đó cũng chính là các nhà sản xuất chip trên thế giới đua nhau giảm tiến trình trên các con chip như hiện nay.

Công nghệ phát triển vi xử lý đang là một trong những công nghệ phát triển mạnh mẽ nhất thế giới smartphone.Tại thời điểm 2008 snapdragon S1với công nghệ 65nm là một bước đột phá lớn tại thời điểm đó, còn tới bây giờ, sau 10 năm, snapdragon 835 ra đời với tiền trình 10nm đã ra đời với hiệu năng không thể tin nổi với những tác vụ: load game, ứng dụng hay trải nghiệm đồ họa 3D hầu như không gây ra bất kỳ độ trễ nào

Tuy vậy, các nhà sản xuất vi xử lý vẫn chưa cho thấy dấu hiệu dừng lại trong việc phát triển chip cho smartphone. Theo như Semi engineering đã từng tuyên bố các đây 3 năm rằng họ đang nắm giữ nguyên liệu cần thiết để tiến tới việc sản xuất chip trên tiến trình 7nm, thậm chí là 5nm

1.2. Cấu tạo của Transitor

Transitor hay còn gọi là bóng dẫn gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N , nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược. về phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau. Cấu trúc này được gọi là Bipolar Junction Transitor (BJT) vì dòng điện chạy trong cấu trúc này bao gồm cả hai loại điện tích âm và dương (Bipolar nghĩa là hai cực tính)

Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực , lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B ( Base ), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp.[separator] Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát ( Emitter ) viết tắt là E, và cực thu hay cực góp ( Collector ) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P ) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được

Trong chế độ tuyến tính hay còn gọi là chế độ khuyếch đại, Transitor là phần tử khuyếch đại dòng điện với dòng Ic bằng β lần dòng bazo (dòng điều khiển ) Trong đó β là hệ số khuyếch đại dòng điện .

Ic = βIB

1.2.1. Xét đặc tính đóng cắt: Của PNP

Chế độ đóng cắt của Transitor phụ thuộc chủ yếu vào các tụ kí sinh giữa tiếp giáp BE và BC.

  • : Quá trình mở: Để cho transitor mở được thì bắt đầu từ giá trị -Ub2 đến Ub1 còn nó thế nào các bạn xem những cuốn giáo trình về điện tử
  • Quá trình đóng : Để cho transitor đóng thì bắt đầu từ giá trị từ Ub1 đến -Ub2. Cái này các bạn cũng tham khảo thêm ở sách.
  • Sơ đồ mắc Darlington Nói chũng các BJT có hệ số khuyếch đại tương đối thấp mà yêu cầu dòng điều khiển lớn nên sơ đồ mắc Darlington là một yêu cầu đặt ra với các ghép 2 transitor Q1 và Q2 có hệ số khuyếch đại là β1 β2. Khi mắc thành Darling ton thì hệ số khuyếch đại tổng là[separator] β = β1 + β2 + β1β2

Mặt khác để tăng hệ số khuyếch đại lên ta có thể mắc từ 3 transotor Sơ đồ mắc Darlington:

1.2.2. Xét nguyên lý hoạt động của PNP

(Hình ảnh trên là hình ảnh tham khảo ) Mạch khảo sát về nguyên tắc hoạt động của transistor NPN Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E. Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và E , trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E. Khi công tắc mở , ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua mối C E ( lúc này dòng IC = 0 ) Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy từ (+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng IB Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo một công thức . IC = β.IB

Trong đó IC là dòng chạy qua mối CE
IB là dòng chạy qua mối BE
β là hệ số khuyếch đại của Transistor

Giải thích : Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn N ( cực E ) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P( cực B ) lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành dòng IB còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE => tạo thành dòng ICE chạy qua Transistor. Sự hoạt động của Transistor PNP hoàn toàn tương tự Transistor NPN nhưng cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại . Dòng IC đi từ E sang C còn dòng IB đi từ E sang B.

Chú ý : Transitor là linh kiên đóng mở bằng dòng điện chứ không bằng điện áp.

1.3. Tìm hiểu về SoC (System-on-a-Chip)

Đây là thông tin bạn cần nắm vững khi tìm hiểu về bộ vi xử lý trên các smartphone hiện nay, chính là đang nói đến hệ thống trên chip (system-on-a-chip viết tắt là SoC). Đây là phần kết hợp của nhiều thứ như bộ vi xử lý (CPU), chip xử lý đồ họa (GPU), RAM và có thể cả ROM, trình điều khiển USB cùng các công nghệ không dây khác.

SoC ra đời dựa trên một ý tưởng rất tuyệt nhằm đưa mọi thành phần quan trọng vào một diện tích nhỏ trên thiết bị (all in one). Nó nhằm làm giảm kích thước của chúng trên bo mạch đồng thời tối ưu hóa cho chúng chạy nhanh hơn, tiêu hao ít điện năng hơn. Kết quả cuối cùng mà nhà sản xuất quan tâm nhất đó là chi phí lắp ráp và người dùng nhận được sản phẩm nhỏ gọn thẩm mỹ, giá rẻ.

1.4. Cấu trúc ARM

Khi đã nói đến tên tuổi các hãng sản xuất SoC thì điều mà bạn cần nắm đó là ARM. Công ty này sử hữu 2 thứ cơ bản mà các hãng khác rất cần đến nó là kiến trúc vi sử lý (microprocessor architecture) và bộ vi xử lý (processor core). Nhiều công ty sản xuất SoC như Samsung, Nvidia, Texas Instruments (TI) mua lõi xử lý của ARM và sau đó họ sản xuất phát triển đưa vào thêm các chipset tích hợp như GPU, bộ nhớ và nhiều thứ khác.

Cấu trúc ARM (viết tắt từ tên gốc là Advanced RISC Machine) là một loại cấu trúc vi xử lý 32 bit và 64 bit kiểu RISC được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng. Do có đặc điểm tiết kiệm năng lượng, các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di động, mà với các sản phẩm này việc tiêu tán công suất thấp là một mục tiêu thiết kế quan trọng hàng đầu.

Ngày nay, hơn 75% CPU nhúng 32-bit là thuộc họ ARM, điều này khiến ARM trở thành cấu trúc 32-bit được sản xuất nhiều nhất trên thế giới. CPU ARM được tìm thấy khắp nơi trong các sản phẩm thương mại điện tử, từ thiết bị cầm tay (PDA, điện thoại di động, máy đa phương tiện, máy trò chơi cầm tay, và máy tính cầm tay) cho đến các thiết bị ngoại vi máy tính (ổ đĩa cứng, bộ định tuyến để bàn.) Một nhánh nổi tiếng của họ ARM là các vi xử lý Xscale của Intel.

2. Các chip smartphone có mặt trên thị trường

2.1. Qualcomm - SnapDragon

Chip SnapDragon được phát triển bởi Qualcomm, những thế hệ đầu tiên của dòng sản phẩm này được đánh số từ S1 đến S4, phiên bản cuối cùng là S4 pro rồi đổi thành tên 3 số như ngày nay. Dòng sản phẩm cao cấp là 8 seri, dòng trung cấp lầ 6 seri, ngoài ra còn có các dòng thấp hơn như 4 seri, 2 seri

Thời kỳ hoàng kim là vào năm 2014 với sự thành công của chip snapdragon 800 và snapdrgon 801 xuất hiện rất nhiều trên các flagship thành công trong năm đó như: Sony Xperia Z3, HTC One M8... Vào thời kỳ ấy, tràn ngập các mẫu smartphone sử dụng chip do Qualcomm sản xuất. Tuy nhiên chính Qualcomm đã đánh mất sự độc tôn của mình do sự thất bại quá lớn của chip snapdragon 810 do quá nhiệt và dòng chip tầm trung snapdragon 615 bị lỗi tối ưu giữa hiệu năng và pin. Dù đã kịp trở mình với con chip snapdragon 820 và 821 trong năm 2016 nhưng với lần hụt chân trước đó, Qualcomm đã tạo cơ hội cho các hãng sản xuất chip khác phát triển nhanh chóng

2.2. Samsung - Exynos

Exynos xuất hiện chủ yếu trên các thiết bị điện thoại, máy tính bảng của Samsung. Exynos xuất hiện từ trước nhưng phải đến năm 2014 khi nó được sử dụng trên chiếc Samsung Galaxy Anpha sử dụng khung kim loại đầu tiên của Samsung, đặc biệt do lỗi quá nhiệt trên Snapdragon 810, năm đó Samsung đã quyết sử dụng Exynos 7420 trên 3 sản phẩm cực hot Samsung Galaxy S6, S6 Edge và Note5. Nhờ đó mà người dùng có dịp tiếp cận rộng rãi hơn với các con chip do Samsung sản xuất

2.3. Apple - A series

Dòng chip này ko được bán ra rộng rãi mà chỉ có mặt trên các thiết bị của Apple. Điểm trừ của dòng chip này là việc chính Apple cất giữ bí mật về các dòng chip của họ, đến khi ra mắtchính thức thì người dùng mới biết chĩnh xác nó có những gì? nâng cấp những gì. Bên cạnh đó, người dùng cũng ko được lựa chọn mà Apple cung cấp cái gì thì người dùng sử dụng cái đó. Tuy nhiên Apple vẫn duy trì tối ưu rất tốt iOS giúp hệ điều hành này tận dụng tốt tài nguyên phần cứng và hiệu năng tuyệt vời trên iPhone. Do đó mà mặc dù không có quyền lựa chọn nhưng người dùng vẫn vui vẻ với những gì Apple mang lại

2.4. Mediatek - Helio

Vốn là 1 công ty đến từ Đài Loan. Mặc dù định kiến của người dùng với các con chip đến từ hãng này vẫn còn khá lớn nhưng trên thực tế, các dòng máy giá rẻ, tậm chí là trung cấp vẫn sử dụng chip của Media Tek. Xuất phát điểm từ năm 2011, Media Tek định hướng ban đầu là tập trung nhiều cho các dòng điện thoại giá rẻ vì vậy mà giá trị thương hiệu của hãng cũng không thực sự nổi bật. Sự phát triển mạnh mẽ của Media Tek bắt nguồn từ sự "hụt chân" của Qualcomm với con chip snapdragon 615, đến lúc này thì Media Tek trở thành sự lựa chọn hấp dẫn hơn với mã hiệu MT6752. Tiếp nối thành công, Media Tek cho ra đời dòng chip cao cấp với tên gọi là Helio, phiên bản đầu tiên là Helio X10 mang lại trái ngọt cho Media Tek. Hiện tại thì dòng chip cao cấp nhất của Media Tek là Helio X30

2.5. Các dòng chip khác

  • Nvidia với dòng sản phẩm Tegra nổi tiếng, tuy nhiên dòng chip này chỉ xuất hiện khiêm tốn dành cho các mẫu máy tính bảng
  • Intel với dòng sản phẩm Atom từng được giới thiệu với công nghệ siêu phân luồng xử lý rất hứa hẹn tuy nhiên lại bị tình tràng tương thích kém với game và nhanh nóng máy
  • Huawei với dòng Kirin. Điểm nổi bật của Kirin là sử dụng công nghệ tốt đồng bộ với hệ điều hành IMUI cũng do Huawei phát triển nhờ vậy mang lại hiệu năng tốt đặc biệt là Huawei GR5 2017

3. Kết luận

  • Xét về mặt kích thước thì Snapdragon tỏ rõ lợi thế, không chỉ tích hợp các bộ vi xử lý, GPU, chip xử lý video bên trong mà còn chưa cả chip xử lý không dây, GPS và RAM. Vì thế, xét trên lý thuyết các smartphone được trang bị SoC Snapdragon sẽ nhỏ hơn tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà sản xuất tích hợp thêm được thành phần khác cũng như tăng dung lượng pin hoặc thiết kế các sản phẩm mỏng nhẹ.

  • Với lợi thế được tối ưu rất tốt, những con chip dòng A của Apple có vẻ luôn được lòng người dùng với hiệu năng tuyệt vời trên những chiếc iPhone. Trong thế giới Android, các nhà sản xuất như Samsung hay MediaTek đang có những bước tiến đáng kể và đang dần vươn lên.

  • Thực sự là rất khó để nói SoC nào tốt hơn khi chúng ta mới chỉ nhìn thấy một vài khía cạnh rất nhỏ, hầu hết các SoC đều sử dụng chung bộ vi xử lý ARM Cortex-A9 đến Cortex-A15 có tốc độ xung nhịp tương tự nên tốc độ xử lý cũng gần như nhau.