I. Giới thiệu chung
Quy trình thiết kế IC, đặc biệt là ASIC, là một lĩnh vực phức tạp và đa dạng. ASIC (Mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng) được thiết kế để phục vụ cho các ứng dụng cụ thể, như chip cho ô tô hay vệ tinh. Việc hiểu rõ về quy trình thiết kế là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu rủi ro. Các loại ASIC bao gồm Full-Custom, Standard Cell và Gate Array, mỗi loại có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn loại ASIC phù hợp sẽ ảnh hưởng đến thời gian đưa ra thị trường và chi phí sản xuất. Đặc biệt, công nghệ CMOS là nền tảng cho hầu hết các thiết kế ASIC, với khả năng tiêu thụ điện năng thấp và hiệu suất cao.
II. Định nghĩa về ASIC
Mạch tích hợp ASIC được định nghĩa là một mạch tích hợp được thiết kế cho một ứng dụng cụ thể. ASIC có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau, bao gồm Full-Custom, Standard Cell và Gate Array. Mỗi loại có những đặc điểm riêng, từ việc thiết kế hoàn toàn từ đầu cho đến việc sử dụng các cell đã được thiết kế sẵn. Full-Custom ASIC cho phép tối ưu hóa cao nhất nhưng tốn thời gian và chi phí. Ngược lại, Standard Cell ASIC giúp tiết kiệm thời gian và chi phí nhờ vào việc sử dụng các cell đã được thiết kế trước. Gate Array ASIC cho phép tùy chỉnh một phần, mang lại sự linh hoạt trong thiết kế. Việc hiểu rõ các loại ASIC này là cần thiết để lựa chọn phương pháp thiết kế phù hợp.
III. Công nghệ CMOS
Công nghệ CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) là công nghệ chủ yếu được sử dụng trong thiết kế ASIC. CMOS có ưu điểm lớn về công suất tiêu thụ thấp và khả năng xử lý tín hiệu cao. Các bóng bán dẫn MOSFET là thành phần cơ bản trong thiết kế CMOS, với cấu trúc bao gồm các cực Nguồn, Cổng và Máng. Việc điều khiển điện áp giúp hình thành kênh dẫn điện giữa Nguồn và Máng. CMOS cho phép thiết kế các cổng logic như Inverter, NAND, NOR với hiệu suất cao. Đặc biệt, việc tối ưu hóa kích thước và cấu trúc của các bóng bán dẫn trong CMOS giúp giảm thiểu công suất tiêu thụ, một yếu tố quan trọng trong thiết kế vi mạch hiện đại.
IV. Công suất trong vi mạch CMOS
Công suất tiêu thụ trong vi mạch CMOS chủ yếu đến từ quá trình nạp và xả của tụ điện. Dynamic Switching Power là nguồn tiêu thụ chính, xảy ra khi điện áp đầu ra chuyển đổi từ thấp lên cao và ngược lại. Ngoài ra, dòng ngắn mạch và dòng rò rỉ cũng góp phần vào việc tiêu thụ công suất. Để tối ưu hóa công suất, các nhà thiết kế cần chú ý đến các yếu tố như tần số hoạt động và kích thước của các bóng bán dẫn. Việc giảm thiểu công suất tiêu thụ không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn cải thiện hiệu suất hoạt động của ASIC.
V. Tổng quan về ASIC flow
Quy trình thiết kế ASIC bao gồm nhiều bước từ việc xác định ý tưởng đến sản xuất chip. Bước đầu tiên là xác định các đặc tả kỹ thuật, sau đó là mô tả cấu trúc và chức năng. Thiết kế logic ở mức thanh ghi (RTL) là bước quan trọng, nơi mà các hệ thống con được mô tả bằng ngôn ngữ HDL như Verilog hoặc VHDL. Sau khi xác minh chức năng, RTL được chuyển đổi thành Netlist cấp cổng. Bước tiếp theo là thực hiện dưới cấp độ vật lý, bao gồm Floor planning, Placement và Routing. Cuối cùng, layout được xác minh và chuyển đổi thành mặt nạ in quang khắc để chế tạo chip. Quy trình này đảm bảo rằng thiết kế đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và công suất.
