EN
Liên kết nhanh
Việc tạo ra các chip IC tùy chỉnh đúng yêu cầu bắt đầu bằng việc thực sự hiểu rõ những gì cần được xây dựng. Nhóm kỹ thuật làm việc chặt chẽ với các nhà phát triển sản phẩm để xác định các yếu tố như mục tiêu tiêu thụ điện năng, thường cần giữ dưới 1 watt đối với hầu hết các ứng dụng IoT. Họ cũng thiết lập các giới hạn về tản nhiệt và yêu cầu hiệu suất cụ thể cho từng ứng dụng. Ví dụ, các hệ thống ô tô thường yêu cầu thời gian xử lý tín hiệu dưới 10 nanogiây. Một phân tích gần đây về xu hướng phát triển ASIC năm 2023 đã chỉ ra điều thú vị: khi các kỹ sư có thông số kỹ thuật rõ ràng và chi tiết ngay từ đầu, khoảng bốn trong số năm dự án vượt qua thành công giai đoạn kiểm thử ban đầu. Nhưng nếu bỏ qua bước này, tỷ lệ thành công ở lần thử đầu tiên sẽ giảm mạnh xuống chỉ còn khoảng một phần ba.
Các đội ngũ kỹ thuật thường áp dụng các phương pháp thiết kế mô-đun khi tích hợp các lõi xử lý như RISC-V hoặc ARM, cùng với các hệ thống bộ nhớ và kết nối đầu vào/ra phù hợp với yêu cầu của sản phẩm cuối cùng. Đối với các chip dùng trong tự động hóa công nghiệp, có một số yếu tố quan trọng cần xem xét. An toàn là yếu tố hàng đầu, do đó các nhà thiết kế tích hợp các mạch dự phòng đáp ứng tiêu chuẩn ISO 13849. Khả năng xử lý tín hiệu thời gian thực là một tính năng bắt buộc khác. Và các thành phần này cần hoạt động ổn định ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt, đảm bảo hoạt động bình thường từ nhiệt độ âm 40 độ C cho đến dương 125 độ C mà không xảy ra lỗi.
Sau khi kiến trúc đã được xác nhận, các kỹ sư chuyển sang viết mã HDL, chạy mô phỏng và tối ưu hóa bố trí vật lý bằng các công cụ khác nhau bao gồm Cadence Innovus. Việc thực hiện kiểm tra nhiễu điện từ (EMI) và phân tích nhiệt ngay từ đầu quá trình thông qua nhiều lần lặp mẫu thử nghiệm có thể giảm thiểu việc phải thiết kế lại tốn kém sau này. Hầu hết các nhà sản xuất bán dẫn mất khoảng 12 đến 18 tuần để giao chip silicon đầu tiên, đó là lý do tại sao việc xác minh kỹ lưỡng trước khi đưa ra bản thiết kế cuối cùng (tapeout) lại cực kỳ quan trọng đối với tiến độ dự án và kiểm soát ngân sách.
Theo báo cáo Hệ thống Nhúng mới nhất từ năm 2024, các kỹ thuật như điều chỉnh điện áp thích ứng kết hợp với khóa xung nhịp có thể giảm tiêu thụ dòng điện ở chế độ chờ trong các nút cảm biến IoT khoảng hơn 70 phần trăm. Các nhà thiết kế thông minh hiện đang triển khai nhiều miền nguồn độc lập để tách biệt các thành phần tính toán tần số cao khỏi những phần cần hoạt động liên tục. Cách tiếp cận này thực sự giúp kéo dài tuổi thọ pin trên các thiết bị như công nghệ mặc y tế và thiết bị giám sát môi trường, nơi hoạt động lâu dài là yếu tố then chốt. Khi nói riêng về bộ phát Bluetooth Low Energy, việc điều chỉnh ngưỡng động trong thiết kế PMIC giúp chúng kéo dài thời gian hoạt động thêm khoảng 22% mà vẫn duy trì được khoảng cách truyền tín hiệu tốt. Ngành công nghiệp đã và đang dần áp dụng các phương pháp này khi các nhà sản xuất tìm kiếm cách tối ưu hóa hiệu suất mà không làm ảnh hưởng đến độ tin cậy.
Khi thiết kế các gói linh kiện và mạch điện liên quan đồng thời, chất lượng tín hiệu thực tế sẽ tốt hơn vì chúng ta có thể tính đến các thành phần ký sinh của gói linh kiện cùng với các mạng kết thúc trên chip. Một số thiết kế vi mạch tích hợp tùy chỉnh tích hợp bộ đệm đầu vào/đầu ra phối hợp trở kháng đã được chứng minh là giảm đáng kể nhiễu điện từ. Một tiêu chuẩn ngành gần đây từ năm 2023 cho thấy các thiết kế chuyên biệt này giảm EMI khoảng 41% so với các giải pháp thông dụng tiêu chuẩn. Đối với ứng dụng điều khiển động cơ cụ thể các mạch tích hợp , quản lý nhiệt cũng trở nên rất quan trọng. Lập kế hoạch nhiệt tốt giúp ngăn ngừa sự hình thành các điểm nóng khó chịu. Và đừng quên những tụ lọc nhiễu nhỏ máy điện chúng cần được bố trí chính xác theo các quy tắc thiết kế để đảm bảo nguồn điện ổn định ngay cả khi tải thay đổi đột ngột.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một hệ thống theo dõi glucose liên tục có thể hoạt động tới 18 tháng chỉ với một lần sạc nhờ vào một số lựa chọn thiết kế thông minh. Thứ nhất, họ đã áp dụng các kỹ thuật vận hành ở ngưỡng dưới trong các mạch đầu cuối tương tự, giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng. Thứ hai, họ sử dụng phương pháp lấy mẫu ADC xen kẽ theo thời gian, hoạt động đồng bộ với các xung tần số vô tuyến trong quá trình truyền dữ liệu. Và thứ ba, họ tích hợp công nghệ thu hoạch năng lượng mặt trời trên chip, có thể tạo ra khoảng 15 microwatt ngay cả khi tiếp xúc với điều kiện ánh sáng trong nhà bình thường. Mạch tích hợp tùy chỉnh 40 nanomet kết quả đạt được những hiệu suất ấn tượng - đạt độ chính xác đo lường gần 99,3 phần trăm trong khi chỉ tiêu thụ 3,2 microampe mỗi megahertz. Điều này đại diện cho việc giảm khoảng hai phần ba mức tiêu thụ điện năng so với các phiên bản trước của các thiết bị tương tự.
Khi nói đến các thiết bị đeo và thiết bị IoT nơi không gian rất quý giá và việc quản lý nhiệt độ đóng vai trò quan trọng, thì các kỹ thuật bố trí tiên tiến trở nên cực kỳ cần thiết. Nhiều kỹ sư hiện nay sử dụng các giải pháp như xếp chồng 3DIC cùng với công nghệ microvia vì chúng có thể thu nhỏ diện tích tổng thể mà vẫn giữ cho tín hiệu rõ ràng và mạnh mẽ. Một số nghiên cứu gần đây từ năm 2023 đã xem xét cách bố trí các trụ đồng một cách hợp lý trong các thiết kế System-in-Package mang lại sự khác biệt đáng kể. Kết quả? Các điểm nóng giảm khoảng 34% so với những gì chúng ta thấy trong các bố trí tiêu chuẩn. Khá ấn tượng khi cân nhắc rằng các linh kiện được tích hợp ngày càng dày đặc hơn khi công nghệ phát triển.
Các kỹ thuật then chốt bao gồm:
Các dự báo ngành cho thấy 50% thiết kế chip máy tính hiệu suất cao mới sẽ áp dụng kiến trúc đa chip vào năm 2025, do nhu cầu về băng thông của bộ gia tốc AI. Sự chuyển dịch này ảnh hưởng đến thiết bị điện tử tiêu dùng, nơi các đội thiết kế phải cân bằng giữa các kết nối tuân thủ UCIe với giới hạn nhiệt trong các thiết bị có độ mỏng dưới 7mm.
Việc lựa chọn giữa IP bên thứ ba và IP sở hữu đòi hỏi sự đánh đổi giữa tốc độ ra thị trường và khả năng phân biệt hiệu suất. IP PHY thương mại PCIe 6.0 hoặc DDR5 giúp đẩy nhanh quá trình phát triển cho các bộ điều khiển ô tô, trong khi các bộ gia tốc mạng nơ-ron tùy chỉnh thường mang lại hiệu quả năng lượng tốt hơn 2–3 lần trong các ứng dụng AI biên.
Một khảo sát năm 2024 đối với các nhà phát triển SoC đã tiết lộ các xu hướng sau:
| Phương pháp tích hợp | Thời gian phát triển trung bình | Khả năng linh hoạt tối ưu hóa công suất |
|---|---|---|
| IP bên thứ ba | 7,2 tháng | 38% |
| IP tùy chỉnh | 11,5 tháng | 81% |
Các nghiên cứu gần đây cho thấy các giao diện UCIe chuẩn hóa giúp giảm rủi ro tích hợp trong các thiết kế dựa trên chiplet đồng thời duy trì hiệu suất. Trong các SoC tự động hóa công nghiệp, việc kết hợp IP điều khiển động cơ thương mại với các mô-đun bảo mật riêng giúp đạt được sự tuân thủ ASIL-D trong phạm vi tiêu thụ điện năng dưới 2W.
Các công cụ EDA ngày nay xử lý khoảng 70% các công việc nhàm chán, lặp đi lặp lại trong quá trình mô phỏng và kiểm tra, từ đó đẩy nhanh đáng kể tiến độ phát triển IC tùy chỉnh. Các nền tảng này cho phép kỹ sư kiểm tra hiệu suất tiêu thụ điện năng khi hoạt động ở mức cực hạn và tinh chỉnh các đường dẫn tín hiệu để chúng hoạt động ổn định trong các tình huống thực tế. Theo Báo cáo Công cụ EDA 2024 mới nhất từ các chuyên gia phân tích ngành, các công ty sử dụng các hệ thống tích hợp này ghi nhận giảm khoảng 43% lỗi sau giai đoạn chế tạo nhờ khả năng kiểm tra quy tắc thiết kế tích hợp và mô hình hóa nhiệt độ tốt hơn. Điều này hoàn toàn hợp lý vì việc phát hiện sự cố sớm sẽ tiết kiệm thời gian và chi phí cho mọi người về lâu dài.
Các hệ thống EDA đầy đủ tính năng có thể tiêu tốn tới hơn nửa triệu đô la mỗi năm cho các công ty, mặc dù hiện nay đã có các lựa chọn mô-đun linh hoạt hơn, phù hợp với quy mô của các doanh nghiệp nhỏ đang khởi nghiệp. Với giấy phép dựa trên token, các đội ngũ kỹ thuật thực sự có thể sử dụng những công cụ tổng hợp tiên tiến này khi cần thiết trong các giai đoạn quan trọng như thiết lập bố trí chip hoặc xử lý các hiệu ứng ký sinh. Theo một nghiên cứu được công bố năm ngoái, các công ty cỡ trung bình đã thu hồi vốn đầu tư nhanh gần một phần tư thời gian khi kết hợp phần mềm xác minh miễn phí từ các dự án mã nguồn mở với các chương trình bố trí trả phí từ các nhà cung cấp uy tín. Hiện tại, phương pháp lai này dường như đang hoạt động hiệu quả đối với nhiều công ty công nghệ đang phát triển.
Các chiến lược chính để giảm thiểu rủi ro trong phát triển ASIC bao gồm:
Các phương pháp này giúp tránh việc phải thiết kế lại, điều này có thể làm chậm tiến độ ra mắt thị trường từ 14–22 tuần cho mỗi lần sửa đổi mặt nạ.
Các nhà phát triển mới đang tìm ra những cách để vượt qua các chi phí khởi nghiệp cao trước đây từng lên tới hơn hai triệu đô la bằng cách sử dụng các trung tâm thiết kế bên ngoài và dịch vụ vận chuyển mẫu thử. Các công ty chuyên về ASIC hiện nay đảm nhận mọi việc, từ xác định kiến trúc chip cho đến bàn giao các tệp GDSII cuối cùng. Và nhiều xưởng sản xuất cũng đã mở cửa đón các đối tượng nhỏ hơn, cho phép họ tiếp cận các quy trình sản xuất tiên tiến ở mức 12nm và 16nm mà không cần phải cam kết sản xuất số lượng lớn ngay từ đầu. Điều này có nghĩa là các doanh nghiệp nhỏ giờ đây thực sự có thể dành thời gian tạo ra những sản phẩm độc đáo cho thị trường của mình thay vì vùi đầu vào việc xây dựng cơ sở hạ tầng tốn kém từ đầu.
Các mạch tích hợp tùy chỉnh giải quyết nhiều nhu cầu khác nhau trong các hệ thống thông minh hiện đại. Lấy ví dụ các thiết bị biên IoT, nơi mà thiết kế thần kinh có thể giảm khoảng 80 phần trăm nhu cầu xử lý trí tuệ nhân tạo mà gần như không làm ảnh hưởng đến tốc độ, duy trì thời gian phản hồi dưới mười mili giây. Ngành công nghiệp ô tô cũng đã đạt được những bước tiến lớn. Các hệ thống trên chip (SoC) của họ hiện nay tích hợp hơn mười lăm tính năng hỗ trợ lái xe tiên tiến vào một con chip duy nhất, điều này giúp xe phát hiện vật cản nhanh hơn khoảng bốn mươi phần trăm trong các giai đoạn thử nghiệm công nghệ lái tự động. Và cũng đừng quên các môi trường công nghiệp. Khi các nhà sản xuất tích hợp các cảm biến MEMS siêu nhỏ ngay vào các chip tùy chỉnh của mình, họ thực sự cải thiện độ chính xác của bảo trì dự đoán, đặc biệt là khi thiết bị rung động liên tục. Các bài kiểm tra thực tế cho thấy độ chính xác tăng lên khoảng một phần ba trong những điều kiện khắc nghiệt này.
Các nhà sản xuất chống lại sự bão hòa thị trường bằng cách triển khai các SoC được tối ưu hóa theo chiều dọc với các bộ gia tốc độc quyền cho mã hóa, điều khiển động cơ và các giao thức không dây. Các bài kiểm tra hiệu năng cho thấy các đơn vị nhân ma trận tùy chỉnh vượt trội hơn GPU đa dụng tới 5 lần về thông lượng mạng nơ-ron tại các điểm cuối AIoT.
Các lõi FP16 được tăng cường và khả năng điều chỉnh điện áp thích ứng cho phép các hệ thống hình ảnh y tế phát hiện khối u nhanh hơn 30% mà không làm giảm độ chính xác chẩn đoán. Các bộ điều khiển công nghiệp thời gian thực sử dụng IC tùy chỉnh đạt được thời gian phản hồi dưới 2¼ giây trong các thao tác tắt khẩn cấp, từ đó nâng cao độ tin cậy hệ thống trong các ứng dụng then chốt.