MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN DE TÀI Ngày nay các thiết bị di động như điện thoại di động, máy tính xách tay, hay các thiết bị y sinh cầm tay, máy chụp ảnh, máy quay phim ngày càng trở nên pho biến và một phan tất yếu trong cuộc sống. Bộ lọc đáp ứng xung hữu han (FIR Filter hay là Finite Impulse Response filter) trở thành một bộ phận rất quan trọng chuyển hóa năng lượng xử lý tín hiệu cho bộ lọc để lọc các tín hiệu cho các thiết bị trên. Bên cạnh đó, các tín hiệu và bộ lọc sử dụng các nguồn năng lượng để thực hiện các quá trình chuyển đôi tín hiệu và cũng như lọc các tín hiệu. Tín hiệu vào là tín Tín hiệu ra sau hiệu rời rạc khi lọc xong Hình 1.1 Sơ đồ của hệ thống bộ lọc FIR Việc sử dụng bộ lọc FIR nhằm tạo ra nhiều mức xử lý khác nhau phục vụ cho các mạch module chức năng, thiết bị và các ứng dụng trong cùng một hệ thống.
Bộ lọc FIR có các đặc tính pha tuyến tính đảm bảo tính 6n định và dễ thực hiện với các số nhân, bộ cộng và phan tử trễ, vì vậy bô loc FIR được sử dung rộng rãi. Số lượng tap trong bộ lọc kỹ thuật số khác nhau tùy theo ứng dụng. Trong các chip lọc thương mại có số lượng tap cô định, các hệ số bằng không được tải vào các thanh ghi cho các vòi không sử dụng và các phép tính không can thiết phải được thực hiện. Dé giảm bớt vẫn dé nay, các chip loc FIR cung cấp các tap có độ dài thay đối có thé được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực ứng dụng.
Tuy nhiên, các chip lọc FIR nảy sử dụng bộ nhớ, đơn vi tao địa chi và đơn vi module để truy cập bộ nhớ một cách hiệu quả. Do kiến trúc được đề xuất chỉ yêu cầu một số Nhân. thanh chi và bộ cộng, nên số lượng công có thể giảm đáng kế so với các chip hiện tai. Nói chung, lọc FIR được mô tả băng một phép toán chập đơn giản như được thể hiện trong phương trình [1]: Luận văn thạc sĩ GVHD: Trương Quang Vinh y(k) = » h(k).1) k=0 Trong bai nay ta sử dung Verilog code thiết kế vi mạch số dé tối ưu hăng số nhiễu va cũng như MCM (Mutiple Constants Multiplications) với quy trình thiết kế vi mach so dé tạo thành các công logic cua mach.
O Viét Nam, su phat trién công nghệ vi mach số đang triển mach trong lĩnh vực gia công và thiết kế chip, bên cạnh các dé tài nghiên cứu về thiết kế chip xử lý âm thanh, hình ảnh.Nhu cầu thiết kế bộ lọc kỹ thuật số dạng vi mach số tích hợp trong các chip xử lý nhăm cung cấp năng lượng cho các hoạt động của vi mach số trên chip. Xuất phát từ nhu cầu cấp thiết đó, tôn xin chọn đề tài: “Thiết kế ASIC cho bộ lọc FIR công suất thấp” sử dụng công nghệ vi mạch số TSMC 90nm và TSMC 65nm.2 MỤC DICH NGHIÊN CỨU Thực hiện thành công thiết kế bộ lọc FIR trên nên công nghệ vi mạch số với 90nm và 65nm sử dụng tap cố định và tần số thiết kế để tối ưu công suất và độ trễ của mạch từ (80.56 uW, 193 uW) và (8.84 ns) với thiết kế là điện áp 1.32V va tần số thiết kế là 100MHz.3 DOI TƯỢNG VA PHAM VI NGHIÊN CỨU 1.1 Đối tượng nghiên cứu — Mô hình CMOS 90nm va CMOS 65nm với các tham số sử dụng dé thiết kế. — Phần mềm Matlab: Hệ thống FIR filter trên nên Matlab/Simulink. — Bộ lọc đáp ứng xung hữu han dạng vi mach: Khối tín hiệu vào dạng số, hồi tiếp, bộ nhân, bộ cộng, khối tín hiệu ra.
— Các phương pháp cải tiễn hoặc khối chức năng nhằm cải tiễn hiệu suất.2 Pham vi nghiên cứu — Bộ lọc FIR điều khiến thông qua hồi tiếp nhiễu (coeffiency: Hi) Luận văn thạc sĩ GVHD: Trương Quang Vinh — Các tham số co ban proccess CMOS 90nm dùng trong thiết kế — Thiết kế và mô phỏng trên phần mềm Synopsys tool 1.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THUC TIEN 1.1 Y nghĩa khoa học — Ý nghĩa khoa học Từ kết qua nghiên cứu của dé tài góp phần phong phú thư viện vi mạch su dụng công nghệ 90nm và 65nm tại các nước Ngoài cũng như ở Việt Nam — Là cơ sở dé ứng dung, cải tiễn và hoàn chỉnh hệ thống trong các hệ thống vi mạch thực tế, góp phần làm phong phú thư viện vi mạch trong nước Viêt Nam 1.2 Ý nghĩa thực tiễn Với công suất hoạt động được tính toán trong quá trình thiết kế ASIC cho bộ lọc FIR với bài toán thông thường là 80.Thực tiễn trong quá trình thiết kế của luận văn này khi áp dung bài toán nhân Vedic kết hợp với cộng RCA có kết quả thiết kế đạt được công suất là 76. Luận văn thạc sĩ GVHD: Trương Quang Vinh CHUONG 2 TONG QUAN NGHIEN CUU 2. TINH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC Trước đây, bài nghiên cứu cua “JUN MO JUNG va JONG WHA CHONG” ngày 3 thang 8 năm 2000 đã thiết kế bộ loc FIR công suất thấp cho xử ly anh“A Low Power FIR filter DESIGN for Imange Processing” bang bai toán lọc thông thấp dé tạo các thanh ghi tap va Clock Gating, bởi vi công nghệ CMOS với Synopsys tool những bon điêu kiện khác nhau đã đo được kêt của công suât như bảng sau: TABLEI Experimental results Conventional method (mW) Proposed method (mW) Avg. power Lenna Couple2 Girl Lenna Couple2 Girl reduction (%) Filter 1 4.1 kết quả nghiên cứu về thiết kế “Low Power FIR filter design for Image Processing” [2| Dự vào bai báo của “G.SRIDEVI” hai người này đã nghiên cứu về thiết kế bộ lọc FIR công suất thấp và tốc độ nhanh bang bài toán Koggestone CSLA“ Design of Low Power and High speed FIR Filter using Koggestone CSLA”.
Kết quả nghiên cứu của ho là trước khi thiết kế băng bai toán Koggestone CSLA cho biết là công suat.850mW và trễ 260.2ns nhưng sau khi sử dụng bai toán Koggestone CSLA là công suất 0.830mW và trễ 155. Vậy, kết quả nghiên cứu của hai nghiên cứu viên đã tối ưu duoc công suất và trễ khi sử dung bài toán Koggestone CSLA với quá trình thiết kế bộ loc FIR dé thiết kế ASIC [3]. Ngày 10 tháng 4 năm 2015, “T.Radha và Velmurugan” đã nghiên cứu thiết kế bộ lọc kỹ thuật số đáp ứng xung hữu hạn bằng phương pháp tối ưu bộ cộng và bộ nhân để thu được công suất thấp “Low Power Digital FIR Filter Design Using Optimized Adder and Multiplier” tại An độ. Hai nghiên cứu viên này, đã chứng minh được công suất và trễ trước khi sử dung bài toán tối ưu Adder va Multiplier là 193mW và 30.496ns nhưng sau khi sử dụng bài toán tối ưu là 191mW và 27.
Luận văn thạc sĩ GVHD: Trương Quang Vinh Cuối cùng, dự vào bài báo của “Soumee Sharmmeela Pattnaik, Ritisnigdha Das, và Siba Kumar Panha” thiết kế “Low Power Transversal FIR Fitler for VLSI Singal Processing Applications”. Bài báo này, cho biết bài toán Transversal của hệ thống bộ lọc FIR được triển khai nhanh chóng đối với việc thiết kế kỹ thuật vi mạch số để đạt được công suất thấp với bài toán CSLA và MRP bằng Xilinx tool [1]. TINH HÌNH NGHIÊN CUU TRONG NƯỚC Hiện tại Việt Nam đang phát triển về vi mạch rất nhiều, và công nghệ thiết kế cũng là quan trọng cho xã hội cũng như người dùng. Do, sự phát triển đó Việt Nam thiết kế tại công ty vi mạch của nước ngoài đặt tại Viet Nam sử dụng rất nhiều tools của công ty vi mạch để thiết kế ASIC cho thời điểm này, cũng như tương lai.
Các công ty vi mach đó sử dụng thư viện khác nhau như: TSMC 180nm, TSMC 90nm, TSMC 65nm, TSMC 45nm. và cũng có một công ty tạo thư viện riêng cho họ. Ngôn ngữ thiết kế ASIC thông thường người thiết kế RTL toàn thiết kế bang ngôn ngữ Verilog code, va VHDL dé thiết kế synthensis cũng như thiết kế ASIC. Bai của tác giả Phan Thi Minh là thiết kế “Mô hình hóa mức RTL và thực thi mang phần cứng có thé tái cau hình cấu trúc thô cho các ứng dụng xử lý đa phương tiện” trong đó phan về thiết kế bộ lọc FIR cho quá trình xử lý tín hiệu video, hình ảnh và tiếng nói trong bộ đa phương tiện [5].
Gần đây, hai học viên của trường đại học Bách Khoa Ha nội tại Trung tâm nghiên cứu triển khai công nghệ cao đã nghiên cứu về “Thiết bị logic lập trình được trong ứng dụng xử lý tín hiệu số” cũng nêu như sau: Họ các thiết bị lập trình được bao gồm SPPD, CPLD, FPGA, GPU, CPU, ASIC., là một công nghệ chế tạo PLD, và cũng như ASIC đã tiễn tới công nghệ nao (90nm/cell) điều này không những làm tối giản về kích thước mà còn giảm thiểu công suất tiêu thụ, tăng khả năng tích hợp cũng như độ tin cậy của linh kiện, các thế hệ sau [6]. Luận văn thạc sĩ GVHD: Trương Quang Vinh 2. NGHIỆM VU CUA LUẬN VAN BỘ LỌC FIR M v[n] =) h@Œ)x(n — k) k=0 DE TÀI LUẬN VAN CLK RST Xin Hình 2.1 Khối của bộ loc FIR sau khi thiết kế bang ASIC công nghệ CMOS 90nm Bộ loc FIR có công suất cao thành bộ lọc FIR công suất thấp được ứng dụng rất nhiều trong các khối vi mach, là một thành phan quan trọng khối xử lý hình anh, âm thanh, của các thiết bị di động. Bộ lọc FIR được sử dụng nhằm cải thiện hiệu suất giảm áp, tiết kiệm năng lượng cho người sử dụng.
Bên cạnh đó vơi sự phát về công nghệ thiết kế vi mạch số nên bài luận văn nhằm thiết kế bộ lọc FIR có công suất và tốc độ xử lý nhanh dựa vào bài toán của bộ lọc ở hình 2.1 để mô phỏng cho quá trình thiết kế.2 Nhiệm vụ luận văn Nhiệm vụ của luận văn được xây dựng trên qui trình thiết kế vi mạch số được mô tả bởi hình 2. Một quy trình cơ bản để tạo ra một vi mạch số bao gồm các bước chính là phân tích thiết kế, kiểm tra và sửa lỗi, thiết kế vật lý, chế tạo/sản xuất. Phân tích thiết kế bao gồm hai công đoạn chính là phân tích cau trúc và mô ta mã nguôn. Phân tích cau trúc thiệt kê là sơ đô khôi, sơ đô tín hiệu giao tiêp, mach Luận văn thạc sĩ GVHD: Trương Quang Vinh nguyên ly, giản đồ định thời, dựa trên các yêu cau thiết kế.
Các thông tin này được thé hiện băng các hình vẽ hoặc mô ta. Mô tả mã nguồn thường gọi là mô tả RTL code, là sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng để mô tả thiết kế dựa trên các phân tích cau trúc đã thực hiện.