Trung tâm đào tạo thiết kế vi mạch Semicon

Login

Username: Password:

Forgot your password? Forgot your username?
ĐĂNG KÝ TÀI KHOẢN ĐỂ TRUY CẬP NHIỀU TÀI LIỆU HƠN!

Create an account

Skip to content

Người ta phát triển vi mạch như thế nào?

Thursday, 25 April 2019 18:35 Semicon Editor 01

Sau một thời gian làm “tham quan” nhất định tại trung tâm thiết kế vi mạch của đại học Quốc gia cùng với việc may mắn được thọ giáo một số “chuyên gia” Việt Kiều đang làm việc cho Texas Instruments hay Intel mình đã bắt đầu có cảm giác về cái mà dân chuyên nghiệp gọi là Design Flow of VLSI.

VLSI là gì ? Nó là từ viết tắt của một từ tiếng Anh : Very Large Scale Integrated gọi nôm na là tích hợp với quy mô rất rộng, tức là một cái vi mạch chứa khoảng từ 10 triệu transistor trở lên. Core 2 Duo mà nhiều bà con nhà ta đã biết nó có đến 1 tỷ transistor lận đấy và được xếp vào loại Ultra Large Scale Integrated.

Quá trình thiết kế bắt đầu bằng việc mấy anh chị trong phòng Marketing hay Sales (Tiếp thị và bán hàng) làm một đống giấy tờ phỏng vấn, thu thập phản hồi của khách hàng và thỉnh thoảng còn bị những khách hàng khó tính chửi như tát nước vào mặt nữa vì cái mạch “chạy cà dựt” … họ cùng nhau tranh luận và đưa ra một cái bản báo cáo về sự thoả mãn của khách hàng cùng với những lời chỉ trích mà trước đó họ phải vừa nghe vừa ngậm bồ hòn làm ngọt … vì họ có biết có lỗi gì đâu.

Hic hic, bao nhiêu sự tức giận họ đem trút cả lên đầu những anh em phòng R&D ( Nghiện cứu và phát triển) … nào là cái mạch thiết kế của anh chạy được có một tí là nóng như lửa, thỉnh thoảng lại phát ra tiếng kêu, không thể tăng tốc độ thêm được, định thì sai tè le tét lét ( cái này chắc họ được khách hàng nói lại) … sau khi đã trút hết cơn giận dữ, phòng Marketing và Sales đưa ngay cho phòng R&D một tờ sớ dài khoảng vài trang A4 về yêu cầu của một mẫu mạch mới mà khách hàng mong muốn.

Anh em phòng R&D nghe la lối cũng cảm thấy khó chịu lắm nhiều lần định nói vào mặt phòng kia là : “Có ngon thì xuống mà làm đi” nhưng bản chất hiền lành của dân Kỹ thuật nên họ kiềm chế được và ra điều “không thèm chấp”.

Cầm tờ yêu cầu trên tay, những cái đầu kinh nhiệm nhất trong nhóm sẽ phác thảo ra một sơ đồ chi tiết về các khối xây dựng cơ bản ( building block) trong mạch định thiết kế và những chi tiết về định thì (timing). Cái này chẳng qua là làm sao cho mạch có thể chạy với tốc độ cao nhất. Những bác nào làm trong khâu này gọi là Specs Experts. Theo mình thấy thì nhóm này toàn là Master hay PhD làm việc nhiều năm không à. Mấy bác này dùng Microsoft Word hay Visio để làm Specs.

Specs đã hoàn thành, công việc này có khi kéo dài hàng mấy tháng nếu là một thiết kế phức tạp như cơ Core 2 Duo thì bác Intel đã mất cả 2 năm trời cho cộng việc làm Specs. Specs được chuyển cho bộ phận RTL Design (viết mô tả mạch bằng Verilog hay VHDL). Ái chà, cái này thì khá giống với những gì mà chúng ta được học trên trường đây: mô tả hành vi (Behavioral), cấu trúc (Structure) hay luồng dữ liệu (Data Flow). Trong đó họ nhất mạnh những mô tả có thể tổng hợp được thành phần cứng (Synthesizable) còn mô tả hành vi sau này có khi được dùng làm mô hình tham khảo (Reference model).

Song song với việc mô tả RTL Design, nhóm Verification cũng đọc Specs gần chết và xây dựng những mô hình tham khảo viết bằng C hay Perl để sau này kiểm tra cho tăng tính tin cậy.

Cái khó khăn nhất mà những “con ong thợ” trong nhóm Verification phải vò đầu bứt tóc là cải khoản mà dân pro gọi là Build Environment ( xây dựng cái ngữ cảnh kiểm tra). Hic cái sản phầm định bán cho khách hàng chẳng biết có được sử dụng giống như họ mô tả hay không? Thỉnh thoảng nó bị đưa vào những nơi có nhiệt độ trên 40 độ C làm cho mấy “em” transistor chạy loạn xạ ngầu … hay đưa vào những vùng có điện trường mạnh như trạm biến thế, hay khi có quá nhiều người cùng truy cập một lúc trên một Switch hay Router … xảy ra tình trạng nghẽn mạng

Tại sao gọi những chàng trai, cô gái trong nhóm Verification là những “con ong thợ”, đơn giản vì làm cái nghề này đòi hỏi sự tỉ mỉ ghê lắm nhất là những “chuyên gia dò dạng sóng”, ngồi cả ngày với những giản đồ xung lên xuống, 0011, A,BFC … để dò bug. Nhưng xem ra với sự phát triển của những công cụ hỗ trợ mới thì những con ong như tôi nói ngày càng ít đi nhường chỗ cho những nhà hoạch định chiến lược tài ba : xây dựng một cái môi trường giả lập và đặt cái thiết kế cần kiểm tra vào trong đó … bấm Enter … màn hình máy tính chạy như điên như dại, hàng loạt các Reports, Messages rồi Warnings và cuối cùng …. Errors.

Nghe thần thoại đúng không? Vậy họ đã làm điều đó như thế nào ? Tôi có làm được giống như họ không ?

Muốn “làm ảo thuật” như mấy tay này bạn cần trang bị cho mình nhiều đồ chơi lắm. Nào là viết chương trình bằng C để làm những mô hình tham khảo — giống như viết đáp ứng hành vi vào ra; làm trùm một trong các ngôn ngữ kịch bản (Script Language) như : Tcl, Perl hay Python trong đó hai cái đầu được hỗ trợ nhiều nhất trong các tool mô phỏng. Và gì nữa nhỉ? tất nhiên món ăn chơi mà bạn luôn phải có nếu muốn gia nhập hàng ngũ những “nhà ảo thuật” này là ngôn ngữ Verilog hay VHDL. Thậm chí nếu đỉnh hơn, tạo ra “cá tính” cho mình để trở thành “tay chơi” thứ thiệt trong nhóm này thì bạn cần có SystemVerilog và biết Formal Verification.

Khè khè, nói hồi quảng cáo cho Verification nhiều quá nhưng mà vào cái thời mà sự tinh vi của các thiết kế càng lúc càng tăng thì việc Test lại rất quan trọng cho nên trách nhiệm của cái nhóm này chiếm đến 70 phần trăm phần việc của toàn quá trình. Nói đi nói lại nhiệm vụ của nhóm này là “tìm và diệt” bugs trong thiết kế nhưng mới ở giai đoạn chức năng (Functional Design) thôi.

“Đứa con tinh thần” của nhóm Specs và RTL Design sau khi bước qua vòng một của cuộc sát hạch gắt gao lại phải chinh chiến ngay trong một cái “lò” mới gọi là : Synthesis ( Tổng hợp). Hic hic, nhìn vào màn hình máy tính của những “tay DC” tên gọi của giới chuyên môn, thấy mà ớn … eo ơi chằng chịt những đường dây, những cái cổng logic NOT AND OR XOR … DFF … màu xanh đỏ tím vàng mà chỉ có những “con mắt” diều hâu của những tay DC này mới có thể phát hiện ra được đâu là đường đến La Mã.

Nghe cũng ghê nhỉ? Nhưng thực ra công việc cũng đơn giản thôi, từ thiết kế chức năng RTL giống với ngôn ngữ lập trình, những đoạn mã này được chuyển thành cái gọi là Netlist. Tên tiếng Anh dịch ra càng hay (danh sách mạng lưới nhện) đúng như một đống bùi nhùi mà tôi đã mô tả trước đó. Đến đây nhiều người thắc mắc sao việc này nhàn nhã thế mà cũng được trả hơn 500 USD một tháng nhỉ? Khè khè, sự tự động tổng hợp chẳng bao giờ tối ưu được, vẫn cần những cái đầu siêu việt, trí tuệ ngời ngời trong nhóm DC cải tạo hơn nữa sao cho mạch dùng ít nhất các cổng. Và thước đo cho sự thành công của nhóm này là tổng giá trị cổng tương đương, tính theo cổng NAND hay NOR … con số vài triệu, hay vài tỉ cổng tương đương là vậy đó.

Sau khi đã được tối ưu, thiết kế đã bắt đầu hình thành giống như bào thai đã có mắt mũi chân tay … và cả cái ấy nữa sẽ được trả ngược lại cho nhóm Verification chạy test mấy ngày để tìm lỗi … Nếu may mắn không thấy thì sẽ chuyển luôn xuống nhóm Physical Layout còn xui rủi … màn hình của những “con ong thợ” đỏ lòm lòm ( bugs) hay vàng vàng ( warnings) thì nhóm Specs và RTL lại phải vào cuộc … hic hic mọi thứ dường như quay lại từ đầu. Khốn khổ thế đấy các bác.

Giả sử như mọi việc xuôi chèo mát mái, “đứa con tinh thần” đến được với người nuôi dưỡng tiếp theo của nó là nhóm Physical Layout thì … tèn ten … nhìn màn hình của những “tay Back-End”, từ chuyên môn dùng chỉ nhóm Physical Layout, nhìn còn ghê bạo luôn … chi chít, vằn ngang vằn dọc giống như thân con ngựa vằn hay người tù bị đánh bằng roi vậy … đó là việc Place and Route ( Đặt và thụt …) làm sao cho diện tích chíp thiết kế ra là nhỏ nhất và tiết kiệm nhất về mặt công suất … đóng gói này nọ nữa, nhiều thứ linh tinh trong này như dán nhãn Made by Vietnam

Các bác trong nhóm Back End sau nhiều ngày đăm chiu suy xét sau cho Place and Route đúng chỗ, đúng kỹ thuật cuối cùng cũng thai nghén ra được một cái giống giống mấy cái vi điều khiển 8051 của Atmel mà nhiều bạn học điện tử viễn thông đã biết qua.

Cái “thai nghén” này lại được một lần nữa chuyển cho bà hộ sinh Verification kiểm tra lại lần cuối cùng trước khi xuất xưởng. Giai đoạn này quan trọng vô cùng vì nó có cả sự kết hợp của nhóm DC trong việc phân tích Timing ( Định thì) — nhiệm vụ chủ yếu là làm sao cho mạch chạy với tốc độ nhanh nhất có thể, ít ra là cũng đáp ứng được yêu sách của phòng Marketing và Sales.

Như các bạn đã thấy để mà vượt vũ môn được thì những vi mạch mà ta phải trải qua hàng trăm thậm chí là hàng ngàn những bài kiểm tra, test liên tục … giống như bọn Intel lúc kiểm tra Core 2 Duo đã làm cả thảy gần 1500 test trước khi tapeout ( đem đi làm mẫu).

Chưa xong, tất cả chỉ mới mang tính mô phỏng … hu hu còn chặng thử thách gian nan nữa. Chọn lựa công nghệ chế tạo : 90nm, 130nm, 65nm hay 45nm … dùng hàng Đài Loan ( TSMC) hay hàng Mỹ IBM, Intel … đa số các hãng trong châu Á ủng hộ dân Đài vì giá cả phải chăng và chi phí đi lại thương thảo cũng rẻ. Bọn này có những nhà máy chế tạo chip mà cái dễ thấy nhất là mấy cái miếng tròn tròn to to màu vàng … dân chuyên nghiệp gọi là wafer. Hồi trước, nước mình cũng định làm một cái nhưng mà hic chi phí đầu tư cho một nhà máy như thế đã là 2 tỷ USD cộng thêm tiền mua công nghệ chế tạo … mà cái này chắc ít thằng bán lắm nên dẹp luôn, đành chờ bác Intel hào phóng xây luôn cho một cái nhà máy chế tạo nữa.

Những đại gia này, cung cấp cho chúng ta một tập thư viện các loại cổng khác nhau với các độ trễ (delay) và các ảnh hưởng nhiệt độ, tốc độ … cho nhóm thiết kế và dựa vào cái file SDF ( standard delay file) … đây là file text lưu trữ tất cả những tính toán định thì trong mạch thiết kế. Đối chiếu cái này nhóm Back End lắp ráp các thành phần lại … sao cho hợp với thư viện mà nhà sản xuất cung cấp rồi … gửi lại cho nhà sản xuất bản thiết kế hoàn chỉnh dùng toàn bộ các linh kiện trong thư viện của họ. … Phụ thuộc vô cùng — Cách làm này gọi là Semicustom ASIC.

Còn một chiêu nữa mà chỉ có những đại gia như intel, AMD, Samsung, Sony … mới dám chơi đó là customize từ A đến Z. Tức là thiết kế luôn từng con transistor luôn độ rộng kênh dẫn ra sao, điện dung tiếp xúc …. lại cả một rừng kiến thức mạch điện tử cao siêu mà phải có đầu óc không những của một nhà khoa học mà còn nghệ sỹ mới làm được cái nghề Analogue Design này. — Lương vài ngàn USD đến vài chục ngàn USD tháng là chuyện thường với những bậc cao nhân này.

Mà các bác có biết chi phí cho một lần Tapeout như thế là bao nhiêu không ? Ngót nghét 300K USD … hic hic mà chắc gì đã chạy tốt trong thực tế. Có nhiều hãng phải Tapeout đến 3 lần đi 1 chai USD. Thế mới nói chi phí cho một con chip bé tẻo teo mà nhiều người dùng cuối thậm chí chẳng bao giờ thấy cao như thế nào.