Thiết kế chip

Bốn năm trước, Apple giới thiệu con chip A14 Bionic dùng cho điện thoại iPhone. Đây là con chip đầu tiên được sản xuất bằng công nghệ 5nm. Vì là chip dùng cho điện thoại nên nó rất bé và tiêu thụ năng lượng rất khiêm tốn. Thế nhưng, trên một con chip bé có tới 11.8 tỷ bóng bán dẫn (transistor), tức là, mỗi một milimet vuông có tới 134 triệu transitor. Con chip này mỗi giây có thể thực hiện tới 11 ngàn tỷ phép tính.

Điều thú vị, Apple chỉ thiết kế con chip này, còn khâu sản xuất họ thuê công ty TSMC làm. Đây là lý do Apple được coi là nhà sản xuất chip hàng đầu thế giới, nhưng là nhà sản xuất fabless, có nghĩa là nhà sản xuất mà không có nhà máy gia công chip (sản xuất chip, trong tiếng Anh là fabrication, viết tắt là fab). 

Để đơn giản hóa, ngành chip có thể chia ra các công ty fabless (như Apple) và fab (như Intel). Công ty fabless chỉ làm thiết kế (design) và dàn trang (layout), còn công ty fab có nhà máy làm chip.

Đây chính là một gợi ý để Việt Nam tìm hướng đi cho ngành bán dẫn của riêng mình. Việc mở nhà máy sản xuất chip cần đầu tư rất lớn, phải mua những thiết bị công nghệ cao không chỉ đắt tiền mà còn rất khó vận hành (và vẫn là câu chuyện cần các kỹ sư giỏi), cho nên thay vì nghĩ đến gia công cho phần sản xuất, Việt Nam nên nghĩ đến gia công ở khâu “phần mềm”, tức là thiết kế. 

Các con chip của Apple thuộc vào dòng ASIC (application-specific integrated circuit). Các con chip ASIC được làm ra một mục đích rất cụ thể. Nó được lập trình một lần và chạy cái chương trình này suốt cuộc đời. Nó được thiết kế và sản xuất rất tinh xảo nên nó cực nhanh, cực mạnh, cực bền và tiêu thụ ít năng lượng. Để thiết kế cần rất nhiều năm và nhiều trăm triệu đô la. Sản xuất cũng vô cùng tốn kém. Để đơn giá đủ rẻ và bán được hàng, các chip ASIC cần được sản xuất với số lượng lớn. Nếu sản xuất với số lượng ít, đơn giá cực kỳ cao như các chip đồ họa hoặc chip AI của NVDIA.

Các chip di động của Apple, chip đồ họa của NVDIA, chip đào bitcoin của Bitmain, chip để tăng tốc học máy của Intel… đều là các chip dòng ASIC. Khâu thiết kế chip dòng này có nhiều công đoạn mà Việt Nam khó có thể tham gia ngay được. Nhưng có một số công đoạn mà Trung Quốc sẽ không tham gia được vì các hãng lớn ngừng giao hợp đồng cho Trung Quốc một phần vì nghi ngại, một phần vì Trung Quốc cũng chưa thực hiện tốt. Có thể kể đến gia công dàn trang thiết kế chip (chip layout). Đây là công đoạn nằm giữa thiết kế và sản xuất. 

Các giai đoạn thiết kế chip

Thiết kế chip là công việc đơn điệu, buồn tẻ và tốn công sức. Giai đoạn đầu của thiết kế, được gọi là thiết kế logic (logic design thậm chí còn khá trừu tượng, bù lại là khá giống lập trình với ngôn ngữ bậc cao (high level) là lĩnh vực mà người Việt Nam đã quen thuộc.

Hoạt động của các con chip bán dẫn, để đơn giản hóa, là sự đóng mở (tắt bật) vô số các cổng logic (logic gate). Việc “đóng và mở” các tín hiệu điện đầu vào, tương ứng với các mã nhị phân “0 và 1”. Với tổ hợp đầu vào 0,1 khác nhau, thì kết quả ở đầu ra cũng khác nhau.

Ví dụ, ta phải thiết kế một con chip cực kỳ đơn giản, nhiệm vụ của nó chỉ làm phép cộng nhị phân. Con chip này có 4 bit, thì làm sao khâu thiết kế phải làm cho nó chạy được các tín hiệu đầu vào ở mỗi bít, ví dụ 0101 và 0011, để cộng vào với nhau phải cho ra kết quả 1000.

Giai đoạn đầu tiên của việc thiết kế chip là “lập trình” sao cho các cổng logic này hoạt động cho đúng. Con chip có hàng triệu cổng. Chip cũng không chỉ làm phép cộng mà còn phải làm nhiều việc khó khăn gấp bội.

Lập trình để thiết kế logic như vậy người ta dùng đến một ngôn ngữ thiết kế, gọi là ngôn ngữ mô tả phần cứng HDL (hardware description language). Hiện có hai ngôn ngữ thông dụng là VHDL và Verilog. 

Việt Nam mạnh về phần mềm, không quá mạnh so với các nước công nghệ cao, nhưng lập trình vẫn là kỹ năng mà người Việt có năng khiếu nhất và bề dày kinh nghiệm nhất trong số nhiều kỹ năng mà ngành bán dẫn đòi hỏi. Nên đây có thể là một hướng để Việt Nam bắt nhịp vào dòng chảy của ngành sản xuất chip trên thế giới.

Sau khi đã có “bản thiết kế logic” bằng HDL người ta sẽ phải dùng công cụ (phần mềm) rất đắt tiền để chạy mô phỏng (simulation). Tức là chuyển thiết kế được viết bằng ngôn ngữ bậc cao sang một dạng thấp hơn để chạy giả lập xem nó có chạy đúng ý đồ của người thiết kế hay không, cũng như để phát hiện lỗi (bug). 

Sau khi chạy giả lập thành công thì mới chuyển qua bước logic synthesis, tức là biến bản thiết kế hoàn toàn là các lệnh logic thành một cái mạch điện ảo với các cổng logic (gate) và bóng bán dẫn (transitor) ảo hoặc cho các dòng bit ảo (bitstream) chạy qua. Phần mềm chuyên dụng để làm việc này sẽ phải thuê license từ các hãng lớn như Intel, Cadence, AMD với chi phí lên tới hàng trăm ngàn đô la một năm.

Bản synthesis này sau đó sẽ được chuyển qua công đoạn “dàn trang vật lý” (physical layout) giống như các bản thiết kế máy móc, hay nhà cửa để đem đi sản xuất hoặc xây dựng. Đây là khâu khó và mất công sức để tối ưu hóa việc đặt tất cả các mạch điện, bóng bán dẫn… lên đế chip, vốn chỉ có không gian vật lý giới (nằm trong kích thước của con chip thật). 

Không chỉ tối ưu hóa về không gian, phải chồng chất rất nhiều lớp bán dẫn lên nhau, mà còn phải đảm bảo cho các dòng điện li ti đi qua mà không chập vào nhau, tỏa nhiệt tối ưu không làm hỏng chip, cũng như năng lượng tiêu thụ ở mức chấp nhận được. Sau khi có layout hoàn thiện mới đưa sang khâu sản xuất (fabrication). Bản layout sẽ được đưa cho các nhà máy sản xuất chip (như các fab của TMSC) để làm ra con chip thực sự. 

Khâu layout này, hiện nay các hãng chip lớn đang thuê gia công (outsource). Ấn Độ là nhà thầu lớn, nhận được nhiều hợp đồng gia công thiết kế logic bằng ngôn ngữ HDL và xác minh mã (code verification). Việt Nam có thể là điểm đến quan trọng do Trung Quốc không còn là nơi được các nhà sản xuất chip ở Mỹ tin cậy. 

Thiết kế chip FPGA

Một thống kê năm 2021 cho thấy tốc độ tiêu thụ chip bán dẫn là một giây bán được 145 con chip. Cũng như giày dép hay quần áo, các con chip luôn được cải tiến về thiết kế. Tức là nhu cầu thuê gia công layout là rất lớn, nhu cầu thuê thiết kế chip cũng rất lớn. Nhưng Việt Nam nên học nghề thiết kế chip loại nào?

Bên cạnh loại chip bán dẫn ASIC khó thiết kế, khó sản xuất như của Apple và NVIDIA, thì có loại chip FPGA (Field-Programmable Gate Array). Khác với ASIC là chip được lập trình một lần duy nhất cho một mục đích duy nhất, thì chip FPGA có thể lập trình nhiều lần cho các mục đích khác nhau. 

Điểm yếu nhất của FPGA là không được nhỏ gọn lắm và tốn năng lượng tiêu thụ. Bù lại thiết kế và sản xuất chip FPGA rất nhanh, linh hoạt, có thể tái lập trình để dùng cho các mục đích khác nhau (chip trong thiết bị mạng viễn thông, thậm chí chip của thiết bị gia dụng có thể tháo ra lập trình cho bộ phận dẫn đường của tên lửa). 

Chi phí thiết kế và sản xuất rẻ cho dù sản xuất với số lượng ít, ví dụ các chip để dùng cho drone chuyên dụng, hoặc thiết bị quân sự, được sản xuất với số lượng ít và yêu cầu bảo mật cao. Chi phí sản xuất khoảng 5 ngàn đô la một chip, cao hơn chip ASIC chi phí chỉ vài chục đô la nhưng phải sản xuất với số lượng lớn.   

Chip FPGA có ứng dụng rất đa dạng, từ đồ dân dụng (như tủ lạnh thông minh, máy giặt thông minh, xe hơi…) đến các thiết bị mạng viễn thông (mạng 5G, router, modem…) hay từ các thiết bị y tế đến các thiết bị bảo mật, điều khiển drone, tên lửa hành trình. Các hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI), học máy (machine learning), máy tính tốc độ cao (high performing computer) cũng dùng chip FPGA do không cần tiết kiệm không gian và năng lượng, liên tục thay đổi thuật toán (nên cần các kiến trúc chip mới). 

Đặc biệt, FPGA thường vượt trội ở xử lý song song (parallel processing) nên rất phù hợp cho xử lý đồ họa, cho crypto và học máy cũng như xử lý thời gian thực cho các ứng dụng quân sự, an ninh, phòng chống thảm họa.

Thiết kế chip FPGA (làm gia công, hoặc làm thiết kế để bán) là một lĩnh vực tuy không còn mới nhưng với Việt Nam nó vẫn đầy tiềm năng mà vì thực tế ở quy mô quốc gia thì rất ít quốc gia có thể làm được.

FPGA ra đời muộn hơn các chip ASIC. Phải đến những năm 198x nó mới xuất hiện và dần dần trở nên thông dụng. Hai nhà sản xuất chip FPGA là Altera và Xilinx đều bị hai hãng chip khổng lồ là Intel và AMD mua lại. 

Một số lĩnh vực quân sự, tài chính và vũ trụ sử dụng chip FPGA ngày càng nhiều, đặc biệt là với các thiết bị truyền sóng. Năm 2010 quy mô thị trường của chip FPGA chỉ ở mức 2,75 tỷ đô là, đến năm 2020 đã lên tới 9,8 tỷ đô la và có thể tăng lên hàng chục tỷ đô la trong vài năm tới.

Tham gia gia công một vài công đoạn trong thiết kế chip FPGA cũng sẽ giúp Việt Nam nhanh chóng xích lại khâu sản xuất, bởi các chip “low-end” khá dễ làm và đầu tư nhà máy không quá tốn kém. Chip sử dụng cho đồ dân dụng như nồi cơm điện, máy giặt… không quá khó để sản xuất. Ngay cả với các chip quân sự, nó cũng không đòi hỏi phải cao cấp như chip A14 Bionic của Apple. 

Bởi chip quân sự không phải chạy đa nhiệm và xử lý dữ liệu lớn với tốc độ cao như chơi game hay gọi video call, nó cũng không cần phải tiết kiệm năng lượng cũng như thu nhỏ tối đa để lắp vào các thiết bị bé nhỏ như điện thoại thông minh. 

Trong một thế giới bất ổn thì tự làm được chip viễn thông và quân sự luôn là một lợi thế. Đến đây ta lại thấy việc cần phải có đội ngũ kỹ sư có năng lực và giàu kinh nghiệm thực tế, để rút ngắn thời gian phát triển các chip chuyên dụng, làm ra được chip vận hành an toàn, bảo mật được thiết kế và kết cấu chip đến mức nếu thiết bị rơi vào tay đối thủ cũng khó có thể bắt chước được.