Làm chủ công nghệ thiết kế thiết bị vi mạch mã hóa video

Theo đánh giá của giới chuyên môn, thành công này không chỉ khẳng định khả năng làm chủ công nghệ thiết kế thiết bị vi mạch của các nhà khoa học Việt Nam mà còn cho thấy khả năng hợp tác, chuyển giao công nghệ với các doanh nghiệp trong lĩnh vực đầy tiềm năng này.

Làm chủ công nghệ tiên tiến và phát triển sản phẩm ứng dụng

Đề cập đến vi mạch mã hóa video VENGME H.264/AVC, kết quả của hơn ba năm nghiên cứu thiết kế và sản xuất thử nghiệm, PGS.TS Trần Xuân Tú cho biết, anh nung nấu ý tưởng thiết kế các bộ mã hóa video từ năm 2009, khi bắt đầu gây dựng nhóm nghiên cứu ‘Thiết kế mạch tích hợp VLSI’ tại Phòng thí nghiệm mục tiêu Hệ thống tích hợp thông minh (SISLAB), ĐH Công nghệ. Trước tiềm năng ứng dụng của các bộ mã hóa video tại Việt Nam, nhóm chọn chuẩn mã hóa tiên tiến H.264/AVC để hướng tới hai yếu tố quan trọng, nghiên cứu những vấn đề khoa học đạt trình độ cao của thế giới và làm ra sản phẩm có nhiều ứng dụng trong thực tiễn. Vì vậy, nhóm đã bắt tay vào thực hiện đề tài khoa học cấp trường ĐH Quốc gia Hà Nội ‘Nghiên cứu và thiết kế bộ mã hóa video cho các thiết bị đa phương tiện thế hệ mới’, được Hội đồng khoa học trường thông qua vào những ngày cuối năm 2010.

Vào thời điểm đó, H. 264/AVC là chuẩn mã hóa/giải mã video tiên tiến nhất trên thế giới, được trang bị một tập các công cụ mã hóa hiệu quả, cho phép giảm đáng kể lượng thông tin của đoạn video sau mã hóa trong khi vẫn giữ được chất lượng hình ảnh cao. So với các chuẩn về mã hóa video trước, H.264/AVC có thể giảm được lượng tốc độ bit đến 80% nên có khả năng hỗ trợ cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ các dịch vụ di động và hội nghị truyền hình, truyền hình số… đến các ứng dụng truyền hình độ phân giải cao, truyền hình IP và các thiết bị lưu trữ số. Là chuẩn công nghiệp được xây dựng rất chặt chẽ, có độ phức tạp cao nên việc đọc và hiểu một cách tường tận các nguyên tắc, quy định của chuẩn H. 246 cũng “đòi hỏi nhiều thời gian đối với nhóm nghiên cứu”, như giải thích của PGS.TS Trần Xuân Tú. 

Vì vậy, nhóm nghiên cứu phải tổ chức các khóa đào tạo cho các kỹ sư thiết kế, vốn phải trải qua quá trình từ sáu tháng đến một năm mới nắm bắt được những vấn đề cơ bản về thiết kế vi mạch. 

Việc chọn chuẩn có độ phức tạp cao như H. 264 để thiết kế bộ mã hóa video khiến nhóm nghiên cứu phải đối mặt với nhiều thách thức, đặc biệt trong bối cảnh nguồn nhân lực chuyên về thiết kế vi mạch còn rất mỏng bởi khi đó, sinh viên ít có cơ hội tiếp cận kiến thức về thiết kế điện tử theo hướng hiện đại, chương trình đào tạo chuyên ngành ở các trường đại học cũng đề cập rất ít đến lĩnh vực này.

Sau hơn ba năm kiên trì theo đuổi hướng triển khai nghiên cứu tiếp cận chuẩn mực quốc tế và gắn liền với thực tiễn Việt Nam, PGS.TS Trần Xuân Tú cùng các thành viên của nhóm nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo thành công chíp VENGME H.264/AVC – thiết bị chuyên dụng dùng cho mã hóa video thuộc thế hệ vi mạch đang được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay trên thế giới, có độ tích hợp cao với khoảng 2 triệu cổng lô-gic (tương đương 8 triệu transistors) trên diện tích gần 16mm2, được sản xuất với công nghệ CMOS 130 nanômét của hãng Global Foundry. Hướng tới các ứng dụng cho thiết bị di động nên nhóm tập trung giải quyết vấn đề giảm thiểu công suất tiêu thụ nhưng vẫn đảm bảo hiệu năng hoạt động của hệ thống và chất lượng hình ảnh sau nén. Để đạt được yêu cầu này, bên cạnh những phương pháp thiết kế truyền thống, nhóm đã phát triển một số giải pháp tối ưu riêng biệt như: đề xuất kiến trúc xử lý đường ống bốn tầng không cân bằng cho bộ mã hóa; giải pháp tái sử dụng dữ liệu nhằm giảm thiểu quá trình trao đổi dữ liệu giữa hệ thống với bộ nhớ ngoài; kỹ thuật tính toán song song với quá trình truyền dữ liệu giữa các khối cơ bản; kỹ thuật thiết kế công suất thấp. Nhờ đó, so với các sản phẩm cùng lĩnh vực trên thế giới, sản phẩm của nhóm có tính năng vượt trội về hiệu năng, năng lượng tiêu thụ và giá thành thiết kế. 

Hướng tới ứng dụng trên camera an ninh, camera giao thông, camera giám sát hiện trường hay camera giám sát tòa nhà, trường học, các địa điểm công cộng… cũng như các thiết bị di động như điện thoại thông minh, máy quay video, VENGME H.264/AVC có khả năng xử lý thời gian thực (real time) các video có độ phân giải lên tới HD 720p ở tần số 100MHz với công suất tiêu thụ khá nhỏ, 53 mW. Không dừng lại ở đây, hiện nhóm đang bắt tay vào thực hiện tối ưu hóa VENGME H.264/AVC để giảm thêm 30% công suất tiêu thụ bằng tập trung nghiên cứu kỹ thuật điều khiển tần số và điện áp thích nghi theo tải hoạt động. 

Các nội dung sáng tạo trong phương pháp thiết kế thiết bị VENGME H.264/AVC là cơ sở đem lại cho nhóm nghiên cứu tới 20 bài báo quốc tế, trong đó có 10 bài báo thuộc hệ thống ISI/Scopus và được cộng đồng khoa học quốc tế quan tâm với 26 lần trích dẫn. Thông qua quá trình thực hiện đề tài, nhóm đã đào tạo được một nghiên cứu sinh và nhiều học viên cao học. 

Nghiên cứu bằng nội lực và chủ động hợp tác

Qua quá trình nghiên cứu, nhóm đã xây dựng được một đội ngũ cán bộ khoa học tương đối mạnh gồm trên 20 thành viên, trong đó có ba tiến sỹ, năm nghiên cứu sinh, có khả năng làm chủ được công nghệ thiết kế mạch tích hợp và giải quyết các vấn đề của công nghệ hiện đại. Vì nghiên cứu về lĩnh vực công nghệ cao nên nhóm chú trọng đến vấn đề mở rộng hợp tác quốc tế nhằm gia tăng tiềm lực cho nhóm như khả năng sử dụng các công cụ thiết kế hay thư viện công nghệ của các hãng phát triển phần mềm và sản xuất vi mạch nổi tiếng thế giới cũng như thúc đẩy các hoạt động chuyển giao công nghệ và sản phẩm nghiên cứu để sản phẩm đến được với thị trường tiêu dùng. 

Nhóm nghiên cứu đã chủ động liên hệ, trao đổi về vấn đề hợp tác ứng dụng sản phẩm với Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Viettel (Viettel R&D), Công ty Hanel, hay gần đây nhất là Công ty VP9. Tại lễ công bố sản phẩm VENGME H.264/AVC, ĐH Công nghệ và Công ty TNHH Giải pháp Thông minh Sài Gòn đã cùng ký thỏa thuận chuyển giao công nghệ và hợp tác phát triển thiết bị ứng dụng, bắt đầu cho quá trình thương mại hóa sản phẩm, vốn là đích đến của một thiết bị công nghệ.

Thành công của sản phẩm VENGME H.264/AVC được đánh giá là góp phần đem lại cơ hội phát triển cho Việt Nam trong lĩnh vực thiết kế sản xuất vi mạch, sản phẩm mang tính mấu chốt trong công nghiệp điện tử. Để phát triển bền vững lĩnh vực này, theo PGS.TS. Trần Xuân Tú, nhà nước cần chú trọng đầu tư đào tạo nguồn nhân lực hệ thống nhúng và thiết kế điện tử mà việc đầu tiên là thành lập một trung tâm hỗ trợ nghiên cứu và đào tạo vi mạch có chức năng kết nối các trường/viện với các doanh nghiệp, đồng thời hỗ trợ các nhà nghiên cứu được phép truy cập bản quyền phần mềm và công cụ thiết kế tiên tiến của thế giới. Việc xây dựng một trung tâm như vậy sẽ cho phép các đơn vị cùng chia sẻ trang thiết bị, tập trung phát triển các nguồn lực và tránh hiện tượng nhà nước đầu tư trùng lặp, gây lãng phí ngân sách. Bên cạnh đó, cũng cần có cơ chế đặc biệt về kinh phí cho các nhóm nghiên cứu, các trung tâm nghiên cứu thành công để họ tiếp tục triển khai nhiệm vụ và phát triển các sản phẩm hoàn chỉnh. Khi giải quyết được hai vấn đề cơ bản này, cộng đồng thiết kế thiết bị vi mạch Việt Nam sẽ có nhiều động lực phát triển trong tương lai.

GS.TS. Nguyễn Hữu Đức – Phó Giám đốc ĐH Quốc gia Hà Nội nhận định, vi mạch là một sản phẩm công nghiệp cơ bản, mấu chốt trong tất cả các sản phẩm công nghiệp, nhất là công nghiệp điện tử. Việc chủ động thiết kế được các dòng vi mạch điện tử có chức năng đa dạng và cập nhật công nghệ hiện đại nhất của thế giới không chỉ giúp nâng cao giá trị sản phẩm điện tử sản xuất tại Việt Nam với mức lợi nhuận đến 30%, giảm nhập siêu linh kiện điện tử và giải pháp công nghệ mà còn đóng góp vào công tác đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao cho nền kinh tế tri thức. Thành công này cũng mở ra hướng làm chủ công nghệ điện tử phục vụ an ninh quốc phòng, thiết kế và chế tạo các vi mạch điện tử quan trọng trong hệ thống vũ khí, khí tài quân sự, hệ thống định vị mục tiêu; bảo mật thông tin. (Nguồn: ĐH Quốc gia Hà Nội)