Bài viết này dành cho các bạn sinh viên chuyên ngành điện tử, khoa học máy tính, hệ thống nhúng hoặc viễn thông mong muốn hiểu cơ bản về ngành “thiết kế vi mạch.
“Học thiết kế vi mạch nói chung, đặc biệt là thiết kế vi mạch số thì cần học những môn gì?” Đây là câu hỏi mà rất nhiều bạn sinh viên băn khoăn. Trong bài viết này, tác giả cố gắng thể hiện kinh nghiệm của bản thân, để các bạn sinh viên yêu thích ngành thiết kế vi mạch hoặc thiết kế mạch tích hợp (thiết kế mạch tích hợp, thiết kế VLSI) có thể tham khảo và định hướng nghề nghiệp sớm cho mình.
1) Tổng quan về ngành thiết kế ic?
Thiết kế vi mạch (thiết kế mạch tích hợp hoặc thiết kế vlsi) là một nhánh nghiên cứu, phát triển và sản xuất chip điện tử, còn được gọi là mạch tích hợp ic.
Phần 1: Chip điện tử (vi mạch)
Việc tạo ra một con chip (vi mạch) đòi hỏi nhiều công đoạn khác nhau. Các giai đoạn này có thể được chia thành hai loại lớn, thiết kế / phát triển và sản xuất. Hai hạng mục này bao gồm nhiều bước khác nhau, mỗi bước đòi hỏi kiến thức và kỹ năng nhất định để xác định “công việc” của bạn.
Hiện tại, ở Việt Nam, các công ty trong lĩnh vực vi mạch chỉ là thiết kế / phát triển, không có bất kỳ công ty sản xuất ic nào. Nguyên nhân chính là do các nhà máy sản xuất vi mạch đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu rất lớn và nhiều máy móc đắt tiền, thiết kế nhà xưởng phức tạp và nguồn nhân lực có công nghệ và kinh nghiệm vận hành cao. Hiện các nhà máy sản xuất chip tập trung ở một số nước phát triển như Đài Loan (TSMC, UMC), Hoa Kỳ (toàn cầu), Nhật Bản (Toshiba, Hitachi), Hàn Quốc (Samsung, sk hynix), Trung Quốc (SMIC, csmc) , …
Đồng thời, công ty thiết kế / phát triển chỉ phải lo hai yếu tố quan trọng là bản quyền phần mềm và nhân lực nên chi phí đầu tư ban đầu thấp. Một công ty chỉ thiết kế và phát triển mà không sản xuất được gọi là fabless (không chế tạo).
Hình 3: 10 công ty đúc hàng đầu năm 2017 (nguồn ic Insights)
Các công ty chuyên sản xuất vi mạch được gọi là xưởng đúc. Có 2 loại OEM:
Công ty chủ yếu dựa vào đơn đặt hàng sản xuất từ các công ty khác và hầu như không thiết kế chip của riêng mình, được gọi là xưởng đúc nguyên chất.
Các công ty sản xuất chip cho các công ty khác và thiết kế / phát triển chip của riêng họ được gọi là xưởng đúc idm (nhà sản xuất thiết bị tích hợp) hoặc công ty idm.
Sự liên doanh giữa một công ty đúc và một công ty đúc được gọi là mô hình công ty đúc không cố định. Mục đích của việc liên doanh giữa các công ty này là sử dụng lợi thế của cả hai bên để phát triển các sản phẩm tốt nhất.
2) Công việc chính trong lĩnh vực thiết kế ic tại Việt Nam
Như đã nói ở trên, hiện tại Việt Nam chỉ có các công ty R&D (fabless) nên công việc chính của bạn cũng đang trong giai đoạn R&D.
p>
Trình thiết kế phông chữ:
1. Nhà thiết kế ic:
Phân tích kiến trúc hệ thống, lõi ip. Ở đây, hệ thống được hiểu là một con soc hay một con chip hoàn chỉnh, bao gồm nhiều lõi ip được kết nối với nhau.
Tạo tệp mô tả kiến trúc và tệp thông số kỹ thuật thiết kế
Lập sổ tay thiết kế (hướng dẫn sử dụng hoặc hướng dẫn sử dụng)
Sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng Verilog, vhdl hoặc ngôn ngữ mô tả hệ thống hệ thống Verilog, systemc để mô tả (viết) mã rtl
Sử dụng phần mềm chuyên dụng để kiểm tra các thiết kế cấp độ cơ bản
Kiểm tra ngữ pháp (ngữ pháp)
Kiểm tra các quy tắc thiết kế
Mô phỏng thiết kế khi không được kết nối với hệ thống (kiểm tra đơn vị)
2. trình xác thực ic:
Chiến lược phân tích (chiến lược xác minh) của một thiết kế hoặc hệ thống thử nghiệm: Làm thế nào để kiểm tra chức năng của thiết kế? phương pháp thử nghiệm? Làm thế nào tôi có thể đảm bảo rằng toàn bộ thiết kế đã được kiểm tra hoàn toàn (được bảo hiểm)?
Xây dựng môi trường thiết kế hoặc thử nghiệm hệ thống
Viết các trường hợp thử nghiệm và thử nghiệm trên băng ghế thử nghiệm
Gỡ lỗi trong quá trình kiểm tra thiết kế (gỡ lỗi)
Kiểm tra kết quả, phân tích kết quả
Nhà thiết kế phụ trợ:
1. Kỹ sư toàn diện (công việc này thường được chia thành nhiều giai đoạn, có thể được thực hiện một phần bởi các nhà thiết kế front-end và một phần cho các nhà thiết kế back-end)
Xây dựng môi trường tổng hợp
Thiết kế tổng hợp để tạo danh sách mạng từ mã rtl
Kiểm tra sự giống nhau giữa rtl và gate sau khi tổng hợp (kiểm tra tính tương đương)
Phân tích bộ đếm thời gian (sta)
Phân tích và gỡ lỗi các quy tắc thiết kế và thời gian
2. kỹ sư dft (thiết kế để kiểm tra)
Phân tích và thiết kế logic dft cho các chip như mbist / lbist / scan / bs
Tạo kế hoạch thử nghiệm và các mẫu thử nghiệm
Tạo các ràng buộc dft
Phân tích và gỡ lỗi các lỗi dft
3. Kỹ sư bố trí
Kế hoạch thiết kế để tạo sơ đồ mặt bằng
Vị trí
Cts Tổng hợp Cây đồng hồ (Clock Tree Synthesis)
Định tuyến
Kiểm tra drc và lv
3) Những kiến thức nào cần học?
Hiện nay, nhiều trường đại học có khoa điện – điện tử, điện tử truyền thông hoặc công nghệ dạy những kiến thức cơ bản liên quan đến công nghệ vi mạch, mạch tích hợp hoặc bán dẫn thông qua các trung tâm bán dẫn.
Nhóm kiến thức cơ bản: tạo nhóm kiến thức chung cho ngành điện tử
Kiến thức về mạch điện và mạch điện tử: Các nguyên tắc cơ bản và hoạt động của mạch điện là kiến thức cơ bản hỗ trợ bạn hiểu và phân tích các hiện tượng và thông số điện.
Về linh kiện điện tử: Chip chỉ là một thành phần điện tử. Trước khi tìm hiểu thêm về ic, sẽ rất hữu ích nếu bạn hiểu các thành phần điện tử.
Kiến thức về vi điều khiển và bộ vi xử lý: Các chip soc hiện nay đều có lõi vi xử lý bên trong nên những kiến thức này thường liên quan mật thiết đến rất nhiều công việc trong lĩnh vực vi mạch. Biết bộ vi xử lý nào không quan trọng khi bạn mới bắt đầu, vì vậy đừng bối rối tại sao thế giới sử dụng arm và trường học dạy 8051? Điều bạn cần là hiểu rõ cấu tạo, hoạt động và cách sử dụng. thì có thể dễ dàng mở rộng sang các lõi xử lý khác.
Kiến thức về hợp ngữ và lập trình c cho vi điều khiển và bộ vi xử lý: có các lõi vi xử lý bên trong chip soc, vì vậy nếu bạn có kiểm tra hệ thống hoặc lõi ip trong hệ thống của mình, bạn cần sử dụng kiến thức này để tạo kiểm tra thử nghiệm. Ngoài ra, bạn sẽ có được góc nhìn của người dùng (người dùng chip), vì vậy khi thiết kế chip ip core hay soc, bạn nên cân nhắc làm sao để người dùng sử dụng nó một cách hiệu quả và dễ dàng nhất.
Nhóm chuyên môn chung: kiến thức phục vụ trực tiếp cho công việc thiết kế ic. Bất kể bạn làm công việc chuyên môn nào, bạn cần phải biết.
Kiến thức về quy trình thiết kế: Mặc dù bạn sẽ không làm tất cả, nhưng bạn cần có cái nhìn tổng quan để hiểu công việc của mình có liên quan như thế nào với công việc khác.
Tìm hiểu về các thành phần logic như AND, OR, XOR, NOT, aoi, oai, flip-flops, chốt, v.v. để bạn có thể mô tả thông số kỹ thuật thiết kế, hiểu hoạt động thiết kế, danh sách mạng thiết kế …
Kiến thức thiết kế mạch logic kỹ thuật số:
Mạch kết hợp
mạch tuần tự
Máy trạng thái (fsm – Máy trạng thái hữu hạn)
Đại số Boolean, bao hàm Carnot
Kiến thức giao tiếp
Thao tác cmos
Cấu trúc cổng logic theo mô hình cmos
Kiến thức về ngôn ngữ lập trình
Verilog, vhdl, ngôn ngữ mô tả phần cứng của hệ thống Verilog, mã rtl để đọc, hiểu và mô tả thiết kế
ngôn ngữ thiết kế phần cứng cấp cao systemc
Nhóm kiến thức chuyên sâu cho từng công việc cụ thể
Nhà thiết kế
Cấu trúc của các mạch kỹ thuật số cơ bản và thường được sử dụng như bộ mã hóa, bộ giải mã, bộ ghép kênh, bộ phân kênh, bộ cộng, bộ nhân, 50o, liveso, mạch đồng bộ hóa, mạch phát hiện cạnh, v.v.
Cấu trúc cơ bản của SOC
Kiến trúc bus hệ thống và các giao thức bus chung
Thiết kế đồng bộ, thiết kế không đồng bộ, thiết kế miền đa đồng hồ, thiết kế tần số cao, thiết kế công suất thấp và các kỹ thuật thiết kế khác …
ic Authenticator
Tìm hiểu về các phương pháp xác minh thiết kế, chẳng hạn như mô phỏng hoặc xác minh chính thức
Verilog hệ thống ngôn ngữ thiết kế và mô phỏng (bao gồm cả Verilog) hoặc systemc để xây dựng môi trường mô phỏng và mô tả mã rtl của thiết kế
uvm mock method (phương pháp xác minh phổ quát) – Có nhiều phương pháp giả khác nhau, nhưng phương pháp này là phổ biến nhất và mới nhất. Thư viện uvm được xây dựng dựa trên ngôn ngữ xác minh hệ thống.
Tìm hiểu về vip (ip xác minh) – Vip là một mô hình được tạo sẵn từ nhiều nhà cung cấp khác nhau để hỗ trợ mô phỏng thiết kế.
Phân tích dạng sóng – một kỹ năng cần thiết và quan trọng để gỡ lỗi
Nhà thiết kế phụ trợ
Tìm hiểu về quy trình thiết kế vật lý và thiết kế tùy chỉnh
Thư viện Kỹ thuật
Kiến thức về Phân tích thời gian tĩnh (sta – Phân tích thời gian tĩnh)
Kiến thức về dft (thiết kế để thử nghiệm)
Sử dụng phần mềm kỹ thuật: Đối với các nhà thiết kế back-end, điều quan trọng là phải hiểu và định cấu hình phần mềm một cách chính xác; việc thiết lập các ràng buộc đúng và đủ là rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của các thiết kế back-end như danh sách mạng, bố cục, vân vân.
Nhóm Kiến thức Hỗ trợ
mô phỏng hệ thống systemc và ngôn ngữ thiết kế xây dựng môi trường mô phỏng và mô tả thiết kế. Hiện nay, việc sử dụng systemc ngày càng phổ biến với ưu điểm là quá trình thiết kế và mô phỏng nhanh hơn. Mã mô tả thiết kế trong systemc có thể được chuyển đổi sang mã rtl (Verilog hoặc vhdl) bằng phần mềm chuyên dụng.
Hiểu nền tảng linux, vì phần mềm chuyên dụng chạy trên nền tảng này có hiểu biết một chút về linux như cài đặt phần mềm, cấu trúc thư mục, nguyên tắc gọi và chạy phần mềm, sử dụng các lệnh và thao tác trên terminal, … sẽ là những kỹ năng phù hợp với công việc hàng ngày của bạn
Có kiến thức về các trình soạn thảo như vi, vim, v.v., vì khi sử dụng linux, bạn sẽ thao tác trên các trình soạn thảo này
Các ngôn ngữ kịch bản như perl, c-shell, bởi vì bạn chủ yếu sẽ làm việc với các công cụ được viết bằng các ngôn ngữ đó. Mục đích chính của script là giúp bạn giảm thời gian làm việc bằng cách tự động hóa các tác vụ thủ công.
Giới thiệu về FPGA: FPGA liên quan gì đến vi mạch? Khi sử dụng fpga, bạn cũng sẽ làm việc về thiết kế, mã hóa rtl, mô phỏng, tổng hợp, phân tích thời gian, vv … Mặc dù thiết kế trên fpga khác với thiết kế asic nhưng bạn sẽ học được nhiều khái niệm, kỹ năng chung như một nhà thiết kế asic.
Kiến thức về phần mềm được sử dụng trong thiết kế ic: Các phần mềm này không miễn phí và giá bản quyền rất cao, bạn có thể gặp khó khăn khi truy cập vào các phần mềm này, nhưng bạn có thể đọc để hiểu phần mềm nào được sử dụng để làm việc này. bất cứ thứ gì và tìm phần mềm mã nguồn mở để thực hành.
Hình 7: Những kiến thức bổ trợ bạn cần biết khi làm việc trong ngành thiết kế ic
