Thiết kế chip khó hơn cả tên lửa

Wee Liang Lien, Giám đốc Bộ phận thiết kế RF tại MediaTek chi nhánh Singapore, một trong những công ty thiết kế chip fabless lớn nhất thế giới, đã tiết lộ những bí quyết để trở thành một nhà thiết kế chip giỏi. Bài chia sẻ của ông được đăng lần đầu trên trang của Hiệp hội công nghiệp bán dẫn Singapore vào tháng 7/2022.

Có người bảo “Thiết kế chip không phải là khoa học tên lửa… Nó khó khăn hơn nhiều!”. Đây là một trong những câu đùa trong ngành công nghiệp chip. Tôi nhớ mình đã mỉm cười gượng gạo khi đọc câu này trích từ một bài báo trực tuyến của Bloomberg hơn một năm trước, khi tình trạng thiếu hụt chip được chú ý toàn cầu. Đây cũng là lần đầu tiên tôi được người quen của mình hỏi về việc tôi đang làm gì ở MediaTek và liệu có chip trong xe ô tô hay không?

Chắc hẳn thế giới của một nhà thiết kế vi mạch hấp dẫn không chỉ với người bình thường mà còn với cả những người đang khao khát tham gia và cân nhắc xem liệu có nên dấn thân vào lĩnh vực này hay không. Vì vậy tôi chia sẻ một chút những điều phức tạp liên quan đến công việc này.

Xử lý những thiết kế ngày càng phức tạp

Các quy trình sản xuất chip và công nghệ đóng gói ngày càng phức tạp đã giúp tạo ra một trong những đổi mới sáng tạo quan trọng của nhân loại. Thiết kế chip, theo đó, cũng trở thành công cụ quan trọng giúp hiện thực hóa nhiều hệ thống gói gọn trong một con chip (‘Systems-on-Chip’). 

Trong một hệ thống trên chip, các khối mạch thuộc nhiều loại khác nhau đều phải thích ứng tốt với một môi trường “kỹ thuật số chính thống” có các đặc tính thiết bị được tối ưu hóa chủ yếu cho các thiết kế số, mật độ nén cao và nguồn cung năng lượng dưới 1V. Điều này tất yếu dẫn đến việc các mạch analog bị giảm dải động và tăng nhiễu mạch, gây ra một loạt vấn đề liên quan đến tính toàn vẹn của tín hiệu và khó đáp ứng được các thông số kỹ thuật về hiệu suất. 

Tuy nhiên, hiệu suất bán dẫn phải được tối đa hóa, bất chấp nguồn điện và biến động nhiệt độ môi trường xung quanh. Ngoài ra, thiết kế vi mạch RF cực kỳ nhạy với các cấu trúc ký sinh [tức các phần thiết bị giống với cấu trúc của một số thiết bị bán dẫn khác] và nhiễu điện từ tạo và các các xung tần ảnh hưởng đến hiệu suất của chip. Để khắc phục những thách thức này, cần phải liên tục đổi mới sáng tạo để giúp các mạch analog/RF cùng tồn tại với các mạch kỹ thuật số để đạt được mức tích hợp hệ thống trên chip cao nhất.

Làm thế nào để trở thành một nhà thiết kế chip giỏi?

Một nhà thiết kế chip thành công chủ yếu là một kỹ sư điện hoặc điện tử, với các phẩm chất như:

Liên tục cải tiến và đổi mới sáng tạo: Bên cạnh việc phát triển bản thân một cách chuyên nghiệp, họ phải liên tục tìm cách cải thiện các mạch mới để có được hiệu suất cao hơn với mức tiêu thụ điện năng thấp hơn và chi phí rẻ hơn.

Giải quyết vấn đề: Thông thường, hiệu suất chip có thể không khớp với những gì được mô phỏng trong giai đoạn thiết kế và các nhà thiết kế được yêu cầu tìm nguyên nhân gây ra độ lệch đó. Do đó, họ phải có kỹ năng phân tích gốc rễ của vấn đề.

Tỉ mỉ: Chú ý đến chi tiết và tránh sai lầm thiết kế là cực kỳ quan trọng vì việc sửa lỗi có thể khiến công ty tốn hàng triệu USD và mất thời gian quý báu mỗi khi làm lại mặt nạ quang khắc và chế tạo lại chip.

Làm việc nhóm: Vì độ phức tạp của nó, một con chip thường cần một nhóm kỹ sư thiết kế, khiến cho tinh thần đồng đội và khả năng làm việc nhóm của mỗi người trong đội trở nên cực kỳ quan trọng.

Tại sao các nhà thiết kế chip yêu thích công việc của họ?

Các nhà thiết kế chip hiếm khi chuyển đổi nghề nghiệp. Họ thường gắn bó lâu với ngành. Đây là lý do tại sao:

Được áp dụng những điều đã học: Các kỹ sư thiết kế chip có thể áp dụng được những gì đã học trong những năm tháng đại học của mình, từ phân tích mạch, thiết kế hệ thống, thiết kế vi mạch kỹ thuật số/analog/RF, vật lý thiết bị, v.v. Trong công việc này, người ta có thể ‘nối các điểm lại với nhau’ và thấy được bức tranh toàn cảnh. Khi đó, họ sẽ nhận ra những ứng dụng thực tế của các lý thuyết ‘khô khan’ mà họ từng biết.

Ở lại càng lâu càng có giá trị: Sản xuất chip là một quá trình tốn kém, là nơi mà bất kỳ lỗi thiết kế nào cũng không thể chấp nhận được. Do vậy, những người có kinh nghiệm luôn được săn đón. 

Phấn khích khi thấy các sản phẩm cuối cùng của mình được lên kệ: Các kỹ sư thích nhìn thấy công việc khó khăn, vất vả của họ trở thành những sản phẩm mà họ có thể đưa ra cho những người thân yêu và bạn bè xung quanh xem. 

Một công việc đầy thách thức và kỹ thuật: Công nghệ bán dẫn liên tục tiến bộ, dẫn đến những thách thức mới ngay cả đối với cùng một dòng sản phẩm. Điều này phá vỡ sự đơn điệu phổ biến trong nhiều công việc khác.

Nghề thiết kế chip 

Trước đây, tôi tình cờ nhìn thấy một biểu đồ Venn mà người ta dùng để thuyết phục sinh viên chọn nghề kỹ thuật. Tôi thấy nó cũng đúng khi thay từ “kỹ sư” ở giữa biểu đồ Venn cũ bằng từ “nhà thiết kế chip”. 

So với một số ngành nghề, thiết kế chip không phải là nghề có thu nhập “khủng nhất”. Tuy nhiên, mong muốn tạo ra các giải pháp sáng tạo giúp nâng cao cuộc sống của mọi người mang lại cho những người trong nghề một sự hài lòng đáng kể không thể đo đếm bằng tiền. Theo đuổi nghề này tạo ra một sự pha trộn cân bằng của những gì tốt nhất – tính sáng tạo, sự hữu ích và nguồn thu nhập tốt. 

Triển vọng thiết kế chip 

Trong thời gian đại dịch COVID-19 vào giữa năm 2020, bán dẫn được liệt kê là một trong những mảng “dịch vụ thiết yếu” được phép hoạt động. Tua nhanh đến năm 2022, chúng tôi nghe thấy một số xưởng đúc có kế hoạch xây dựng các cơ sở mới tại Singapore. Điều này, không nghi ngờ gì, sẽ thu hút nhiều công ty thiết kế fabless thành lập các công ty con để hoàn thiện hệ sinh thái. Nhu cầu về các nhà thiết kế chip trong khu vực theo đó cũng sẽ tăng lên.

Để kết luận, các nhà thiết kế chip là những người vô danh, những người hùng trong 50 năm qua góp phần hiện đại hóa máy tính, truyền thông, giao thông vận tải, giải trí và chăm sóc sức khỏe, v.v Chúng tôi hy vọng sẽ sớm nhận được sự công nhận xứng đáng.

————

Thiết kế vi mạch thường chia làm ba loại: Thiết kế số (Digital IC), Thiết kế tương tự (Analog IC), Thiết kế tín hiệu hỗn hợp cả analog và số (Mixed-signal). Dù là thiết kế loại nào thì quy trình thiết kế cũng gồm hai giai đoạn chính là thiết kế logic (Logical design – Front End design) và thiết kế vật lý (Physical design – Back End design ).

Chip sau khi được thiết kế sẽ được đem đến nhà máy để sản xuất thử, đem đi kiểm nghiệm trước khi sản xuất hàng loạt. Các công ty có thể tự sản xuất chip của mình thiết kế, bán thiết kế cho các công ty khác, hoặc thuê các công ty khác sản xuất cho mình. Chip sau khi sản xuất sẽ được kiểm tra kỹ lưỡng trước khi đến với người tiêu dùng.

Những công ty chỉ thiết kế mà không sản xuất gọi là các công ty Fabless. Họ chỉ cần giải quyết hai yếu tố quan trọng là bản quyền phần mềm và nguồn nhân lực nên chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn. 

Các công ty Fabless lớn trên thế giới chủ yếu tập trung ở Mỹ (Qualcomm, Broadcom, Nvidia, AMD), Đài Loan (MediaTek, Novatek, Realtek).

Các nhà máy sản xuất vi mạch hiện này tập trung ở một số nước phát triển như Đài Loan (TSMC, UMC), Mỹ (GlobalFoundries), Nhật Bản (Toshiba, Hitachi), Hàn Quốc (Samsung, SK Hynix), Trung Quốc (SMIC, CSMC), …

Quang Duy dịch

(Bài đăng ở Báo KH&PT số 47)