Theo trend vi mạch và các bước thiết kế chip

Chào mọi người,

Nhân dịp các khái niệm "bán dẫn", "vi mạch" đang hot trong trong thời gian gần đây, mình xin phép viết 1 bài ngắn gọn chia sẻ cho mọi người về khái niệm cũng như các bước, các công đoạn trong công cuộc tạo ra 1 con chip.

Khái niệm

Vi Mạch:

Định Nghĩa:

Vi mạch là một tập hợp các thành phần điện tử như transistor, điện trở và điện tụ được tích hợp trên một miếng silic hoặc chất bán dẫn khác để tạo ra các chức năng và hiệu suất điện tử nhất định.

Công Dụng:

Vi mạch chủ yếu được sử dụng trong sản xuất các thiết bị điện tử, từ điện thoại di động và máy tính cá nhân đến thiết bị y tế và xe hơi tự động. Chức năng của vi mạch có thể đa dạng từ việc thực hiện các phép tính đơn giản đến việc điều khiển các hệ thống phức tạp.

Phát Triển:

Vi mạch đã trải qua một loạt các cải tiến và phát triển từ khi được phát minh vào những năm 1950. Từ vi mạch đơn giản ban đầu, ngày nay chúng đã phát triển thành các hệ thống tích hợp cực kỳ phức tạp với hàng tỉ vài trăm tỉ thành phần.

Bán Dẫn:

Định Nghĩa:

Bán dẫn là một loại vật liệu có khả năng dẫn điện ở một mức độ tương đối, giữa các chất dẫn điện và cách điện. Các loại bán dẫn phổ biến nhất là silic, germani và gallium arsenide.

Cấu Trúc:

Cấu trúc của các vật liệu bán dẫn cho phép chúng kiểm soát dòng điện thông qua nó bằng cách điều chỉnh lượng electron và lỗ trống. Điều này làm cho bán dẫn trở thành một vật liệu lý tưởng cho việc tạo ra các thiết bị điện tử như transistor, đèn LED và vi mạch tích hợp.

Ứng Dụng:

Bán dẫn đóng vai trò chủ chốt trong nền công nghiệp điện tử và công nghệ thông tin. Chúng được sử dụng trong việc sản xuất vi mạch, linh kiện điện tử và các thiết bị điện tử khác. Ngoài ra, các ứng dụng của bán dẫn cũng mở ra cơ hội trong lĩnh vực năng lượng mặt trời, đèn LED, cảm biến và nhiều lĩnh vực công nghệ khác.

Quy trình tạo ra 1 con chip

Quá trình thiết kế chip thường được chia thành hai giai đoạn chính: "front end" và "back end". Mỗi giai đoạn này có các bước cụ thể, mục tiêu và công cụ khác nhau. Dưới đây là mô tả chi tiết về các bước trong mỗi giai đoạn:

Front End:

Phân Tích Yêu Cầu (Specification):

• Định Rõ Yêu Cầu: Bước này bao gồm việc xác định và định rõ yêu cầu của dự án thiết kế chip, bao gồm chức năng, hiệu suất, và các yêu cầu về nguồn điện, kích thước, và các tiêu chuẩn khác.
• Xác Định Ràng Buộc: Các ràng buộc kỹ thuật như tốc độ hoạt động, tiêu thụ năng lượng, diện tích chip, và các yêu cầu về bảo mật và độ tin cậy được xác định trong bước này.

Thiết Kế (Design):

• Thiết Kế Logic:

• Trong bước này, các kỹ sư điện tử sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng (Hardware Description Language - HDL) như Verilog hoặc VHDL để mô tả logic của vi mạch.
• Các thành phần logic như bộ nhớ, bộ xử lý, và các mạch điều khiển được thiết kế và kết hợp để đáp ứng yêu cầu đã xác định trong bước phân tích yêu cầu.

• Kiến Trúc Hệ Thống: Các kỹ sư thiết kế kiến trúc tổng thể của hệ thống chip, bao gồm xác định các thành phần chính, giao tiếp giữa các thành phần, và cách tổ chức và điều khiển các chức năng.

Mô Phỏng (Simulation):

• Kiểm Tra Đúng/Sai:

• Trước khi tiến hành bước tiếp theo, việc kiểm tra logic và chức năng của vi mạch thông qua mô phỏng là cực kỳ quan trọng.
• Các công cụ mô phỏng sẽ giúp đảm bảo rằng thiết kế hoạt động đúng và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và chất lượng đã được xác định.

• Tối Ưu Hóa và Sửa Lỗi:

• Các kỹ sư sẽ tiến hành các bước tối ưu hóa và sửa lỗi dựa trên kết quả của mô phỏng.
• Các sửa lỗi và điều chỉnh sẽ được thực hiện để cải thiện hiệu suất, tăng tính ổn định và giảm lỗi.

• Xác Nhận Hiệu Suất: Mô phỏng cũng giúp xác định hiệu suất của chip, bao gồm tốc độ hoạt động, tiêu thụ năng lượng, và các yếu tố khác quan trọng.

Back End:

Layout:

• Xác Định Vị Trí Các Thành Phần: Trong bước này, các thành phần đã được thiết kế trong giai đoạn "Front End" được đặt trên bề mặt vật lý của chip.
• Tổ Chức và Định Vị: Các thành phần được tổ chức và định vị trên bề mặt chip theo cách tối ưu nhất để đạt được hiệu suất và hiệu quả tốt nhất.

Routing:

• Kết Nối Các Thành Phần: Bước này bao gồm việc kết nối các thành phần trên chip bằng các dây dẫn, mạch kết nối và các phần mềm kết nối khác.
• Tối Ưu Hóa Đường Dẫn: Các đường dẫn được tối ưu hóa để giảm độ trễ, tiêu thụ năng lượng và diện tích chiếm dụng trên chip.

DRC (Design Rule Check):

• Kiểm Tra Quy Tắc Thiết Kế: Bước này bao gồm việc kiểm tra xem thiết kế có tuân thủ các quy tắc thiết kế hay không, bao gồm khoảng cách giữa các dây dẫn, kích thước của các thành phần, và các yêu cầu khác của quy trình sản xuất.

Layout vs Schematic (LVS):

• Xác Định Sự Tương Đồng: Bước này kiểm tra sự tương đồng giữa layout (bố trí vật lý) và schematic (mô phỏng logic) của thiết kế để đảm bảo rằng chúng phản ánh chính xác nhau.

PEX (Parasitic Extraction):

• Trích Xuất Parazit: Bước này bao gồm việc xác định và mô phỏng các yếu tố parazit trong các mạch kết nối, dây dẫn và các thành phần khác trên chip.

Simulation:

• Kiểm Tra và Mô Phỏng: Các mô phỏng cuối cùng được thực hiện để đảm bảo rằng chip hoạt động như dự kiến và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và chất lượng.

GDS II:

• Định Dạng File: Bước này bao gồm việc tạo ra file định dạng GDS II (Graphic Data System II) - một định dạng tiêu chuẩn được sử dụng trong công nghiệp sản xuất chip - từ layout đã hoàn thành.

Tape Out:

• Hoàn Thành Thiết Kế: Bước cuối cùng là gửi file GDS II đến nhà sản xuất chip để bắt đầu quá trình sản xuất vật lý của chip.

Kết luận

Trên đây là bài viết giới thiệu các khái niệm cơ bản cũng như quá trình tạo ra 1 con chip để mọi người nắm được, cũng không bị bỡ ngỡ trước trend "vi mạch" đang hot hiện nay. Kết bài mình bonus thêm danh sách các công ty làm vi mạch ở Việt Nam từ Bắc chí Nam, gồm cả công ty Việt Nam lẫn nước ngoài (hình ảnh từ Group Cộng đồng vi mạch Việt Nam, số liệu cập nhật tới Tháng 5 năm 2024)