Nghiên cứu, phát triển phương pháp thiết kế và chế tạo chip vi xử lý kiểu risc
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (12.36 MB, 591 trang )
BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CHƯƠNG TRÌNH KHCN TRỌNG ĐIỂM CẤP NHÀ NƯỚC
KC.01/06-10
“NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG
TIN VÀ TRUYỀN THÔNG”
BÁO CÁO TĨM TẮT
KẾT QUẢ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ
CHẾ TẠO CHIP VI XỬ LÝ KIỂU RISC
MÃ SỐ ĐỀ TÀI: KC.01.08/06-10
.
Cơ quan chủ trì đề tài: Trung tâm Nghiên cứu và Đào tạo thiết kế vi mạch
Chủ nhiệm đề tài:
ThS. Ngơ Đức Hồng
8956
TpHCM, 09/2010
MỤC LỤC
Chương 1.
NỘI DUNG MỞ ĐẦU BÁO CÁO TỔNG HỢP ĐỀ TÀI.......... 1
1.1. BỐI CẢNH HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI ......................................................................... 1
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ...................................................................... 1
1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................................ 1
1.2. XUẤT XỨ ĐỀ TÀI .................................................................................................... 3
1.3. SỰ HÌNH THÀNH CỦA ĐỀ TÀI.............................................................................. 4
1.4. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ................................................................................................... 4
1.5. ĐĂNG KÝ CHẤT LƯỢNG VÀ KẾT QUẢ KHCN CỦA SẢN PHẨM ĐỀ TÀI .... 4
1.5.1. Đăng ký sở hữu trí tuệ ......................................................................................... 4
1.5.2. Chứng nhận Quốc tế lõi IP VN8-01 và VN1632-01 (xem chi tiết ở phụ lục 2
của báo cáo này) ............................................................................................................ 5
1.5.3. Kết quả đào tạo Thạc sĩ và Tiến sĩ....................................................................... 5
1.6. TÁC ĐỘNG ĐỐI VỚI KINH TẾ XÃ HỘI................................................................ 5
1.6.1. Tác động với xã hội ............................................................................................. 5
1.6.2. Tính khả thi và hiệu quả kinh tế của đề tài .......................................................... 8
Chương 2.
NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ CHIP VI XỬ LÝ RISC 8 BIT
VÀ 16/32 BIT.................................................................................................. 11
2.1. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....................................... 11
2.1.1. Cách tiếp cận:..................................................................................................... 11
2.1.2. Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: ..................................................... 11
2.1.2.1. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 11
2.1.2.2. Kỹ thuật sử dụng......................................................................................... 15
2.2. PHỐI HỢP VỚI CÁC CÁ NHÂN TỔ CHỨC TRONG QUÁ TRÌNH TRIỂN KHAI
......................................................................................................................................... 16
2.2.1. Các tổ chức trong nước...................................................................................... 16
2.2.2. Các chuyên gia và tổ chức ngoài nước .............................................................. 16
2.3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ....................................................................................... 17
2.3.1. Danh sách sản phẩm khoa học công nghệ ......................................................... 17
2.3.2. So sánh VN8-01 với các vi xử lý cùng loại đang phổ biến trên thị trường ....... 18
2.3.3. So sánh VN1632-01 với các vi xử lý cùng loại đang phổ biến trên thị trường . 19
2.3.4. Tính độc đáo và sáng tạo ................................................................................... 19
2.3.5. Nhận định các kết quả đạt được......................................................................... 20
Chương 3.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÁC ỨNG DỤNG CHO VI XỬ
LÝ 8 BIT VÀ 16/32 BIT................................................................................. 21
3.1. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....................................... 21
3.1.1. Cách tiếp cận...................................................................................................... 21
3.1.2. Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: ..................................................... 21
3.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ....................................................................................... 22
3.2.1. Danh sách sản phẩm khoa học cơng nghệ ......................................................... 22
3.2.2. Tính độc đáo và sáng tạo ................................................................................... 23
3.2.3. Nhận định các kết quả đạt được......................................................................... 23
Chương 4.
XÂY DỰNG BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ, GIÁO TRÌNH, HỘI
THẢO VÀ BÀI BÁO...................................................................................... 24
4.1. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....................................... 24
4.1.1. Cách tiếp cận...................................................................................................... 24
4.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ....................................................................................... 26
4.2.1. Danh sách sản phẩm khoa học công nghệ ......................................................... 26
4.2.2. Tính độc đáo và sáng tạo ................................................................................... 27
4.2.3. Nhận định các kết quả đạt được......................................................................... 27
Chương 5.
KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ...................................................... 28
5.1. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ....................................... 28
5.2. LỢI ÍCH MANG LẠI CỦA KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ......................................... 29
5.3. TÍNH KHẢ THI VÀ HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA ĐỀ TÀI .................................... 32
5.4. KIẾN NGHỊ THAY ĐỔI CÔNG NGHỆ SẢN PHẨM CỦA ĐỀ TÀI .................... 34
MỤC LỤC HÌNH
Hình 1-1 Bản đồ cơng nghệ vi mạch của thê giới............................................. 8
Hình 2-1 Quy trình thiết kế giai đoạn Front-End............................................ 12
Hình 2-2 Quy trình thiết kế giai đoạn Back-End ............................................ 14
Hình 4-1 Kỷ yếu Hội thảo Khoa học Quốc Gia lần thứ 4............................... 25
Hình 5-1 Bản đồ cơng nghệ vi mạch của thê giới........................................... 32
MỤC LỤC BẢNG
Bảng 1-1 Định giá sản phẩm IP của đề tài........................................................ 9
Bảng 2-1 Danh sách sản phẩm khoa học công nghệ....................................... 18
Bảng 2-2 So sánh VN8-01 với các vi xử lý cùng loại .................................... 19
Bảng 2-3 So sánh VN1632-01 với các vi xử lý cùng loại .............................. 19
Bảng 3-1 Danh sách sản phẩm khoa học công nghệ....................................... 22
Bảng 4-1 Danh sách sản phẩm khoa học công nghệ....................................... 27
Chương 1. NỘI DUNG MỞ ĐẦU BÁO CÁO TỔNG
HỢP ĐỀ TÀI
1.1. BỐI CẢNH HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Ngành cơng nghiệp điện tử được hình thành và phát triển từ những năm 40
của thế kỷ 20 cùng với sự ra đời của những transitor đầu tiên. Kể từ thập niên
90 đến nay, ngành công nghiệp điện tử (electronics) là một trong những
ngành công nghiệp lớn nhất trên thế giới. Ngành cơng nghiệp này có vai trò
trực tiếp dẫn đến sự bùng nổ về kinh tế trong những nước phát triển (Mỹ,
Nhật, Hàn Quốc…) và được chia thành các ngành công nghiệp nhỏ như:
ngành công nghiệp vi mạch (semiconductor industry), ngành máy tính và thiết
bị lưu trữ (computing and storage devices industry), ngành viễn thông
(telecommunication industry), ngành điện tử dân dụng (consumer
electronics).
Trong lĩnh vực thiết kế vi mạch, hướng thiết kế vi xử lý là một hướng mang
lại nhiều lợi nhuận nhất, vì vi xử lý là thiết bị xử lý trung tâm trong hầu hết
các hệ thống điện tử. Nhiều công ty xây dựng và phát triển dịng vi xử lý của
riêng mình với những đặc trưng khác nhau. Trong các dòng vi xử lý được sử
dụng phổ biến trên thế giới hiện nay, có thể kể đến các dòng vi xử lý sau: PIC
của công ty Microchip, AVR của Atmel, ARM của công ty ARM Ltd, DEC
Alpha, PA-RISC của HP, SPARC của Sun Microsystem, MIPS của MIPS
Technologies, và PowerPC của IBM…
1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Trong khi đó ngành thiết kế vi mạch của Việt Nam còn rất non trẻ và chưa
chiếm được một chút thị phần nào trong ngành thiết kế vi mạch của thế giới.
Các công ty trong nước chủ yếu tập trung vào việc lắp ráp hoặc ứng dụng các
1
chip có sẵn. Một số cơng ty như FPT, GrayStone... thực hiện việc outsourcing
cho nước ngoài ở lĩnh vực hệ thống nhúng. Một số trung tâm nghiên cứu của
ta như Trung tâm thiết kế của Bộ Khoa học Công nghệ tập trung nhiều vào
lập trình cho FPGA, PAL...rất gần với phần front-end của cơng nghệ thiết kế
vi mạch. Trong hồn cảnh đó, Trung tâm Nghiên cứu và Đào tạo Thiết kế vi
mạch ICDREC đã có những bước đi đầu tiên để đặt nền móng cho sự xây
dựng và phát triển ngành thiết kế vi mạch ở Việt Nam. Cụ thể là việc thực
hiện thành công đề tài ưom tạo công nghệ - Thiết Kế và Chế Tạo Chip Vi Xử
Lý RISC 8-bit SigmaK3. Trên cơ sở đó, nhóm nghiên cứu đã tiếp tục nghiên
cứu cải tiến nhằm tạo ra VN8-01, một kiến trúc mới hoạt động ổn định ở tốc
độ cao hơn, nhiều tính năng mới được thêm vào. Kiến trúc này là nền tảng để
xây dựng và phát triển một dịng vi xử lý có tính thương mại mang thương
hiệu Viêt Nam.
Ngành cơng nghệ bán dẫn Việt Nam cịn q non trẻ nếu khơng muốn nói là
mới bắt đầu. Mặt khác, chúng ta không thể bỏ qua ngành công nghệ bán dẫn
vì đây là ngành có lợi ích kinh tế lớn, giá trị gia tăng cao. Bằng chứng lịch sử
đã cho thấy ngành này đóng vai trị quan trọng trong việc thúc đẩy kinh tế
của các nước cường quốc như Mỹ, Nhật, Hàn Quốc.... nó khơng những tự
đem lại thu nhập cho quốc gia mà cũng là yếu tố quan trọng để giúp các
ngành khác của điện tử như điện tử dân dụng, công nghệ thông tin... tăng hiệu
quả kinh tế.
Riêng ở Việt Nam trong 5 năm trở lại đây ở các thành phố lớn như TP. Hồ
Chí Minh, Hà Nội và Đà Nẵng đã có nhiều cơng ty thiết kế vi mạch hoặc liên
quan đến vi mạch đầu tư như Intel, SDS, Renesas, Applied Micro VietNam...
nhưng chủ yếu các công ty này thực hiện việc outsourcing cho nước ngồi
hay lắp ráp hoặc ứng dụng các chip có sẵn.
2
Trước làn sóng này chúng ta phải có giải pháp tồn diện thúc đẩy nó. Trong
đó yếu tố quan trọng là vấn đề làm chủ công nghệ và nguồn nhân lực vi mạch.
Không giải quyết được yêu cầu nguồn nhân lực, chúng tơi tin rằng các cơng ty
sẽ gặp khó khăn khi triển khai dự án đầu tư tại Việt Nam và tình huống xấu
nhất là họ sẽ rút khỏi Việt Nam mà điều này sẽ có tác hại rất lớn đối với bức
tranh kêu gọi đầu tư của nước ta.
1.2. XUẤT XỨ ĐỀ TÀI
Trong lĩnh vực thiết kế vi mạch, vấn đề cốt lõi là phải làm chủ được công
nghệ thiết kế, đặc biệt là làm chủ các lõi vi xử lý. Khi thiết kế các vi mạch
chuyên dụng, lõi vi xử lý sẽ được tích hợp vào bên trong kết hợp với các
ngoại vi khác để tạo thành mạch chuyên dụng theo yêu cầu đặt ra. Một cách
khác để thực hiện các vi mạch chuyên dụng là mua license từ các hãng thiết
kế nổi tiếng như Microchip, ARM, MIPS.... rồi phát triển dựa trên nền tảng
đó, nhưng khó khăn của phương án này là phải bỏ ra một số tiền rất lớn để
mua license và chúng ta không thể tự thay đổi thiết kế cho phù hợp với yêu
cầu của vi mạch chuyên dụng.
Trước tình hình phát triển mạnh mẽ của ngành thiết kế vi mạch trên thế giới,
Việt Nam vẫn chưa hề nắm được công nghệ thiết kế (cả vi xử lý 8-bit và 32bit). Nhận thấy sự cần thiết và quan trọng của vấn đề này, Bộ Khoa học và
Công nghệ đã chủ trương phát triển đề tài “Nghiên cứu phát triển phương
pháp thiết kế và chế tạo chip vi xử lý kiểu RISC” để xây dựng nền tảng ban
đầu cho nền công nghiệp thiết kế vi mạch tại Việt Nam.
Đề tài này được tiến hành dựa trên nền tảng đề tài ươm tạo Công nghệ
“Nghiên cứu thiết kế lõi IP và chế tạo thử nghiệm chip 8-bit RISC SigmaK3”
đã được Hội đồng Khoa học Cấp ĐHQG. HCM đánh giá xuất sắc và nghiệm
thu vào ngày 28/12/2007.
3
1.3. SỰ HÌNH THÀNH CỦA ĐỀ TÀI
Từ những bối cảnh và xuất xứ của đề tài, chúng tôi cho rằng việc nghiên cứu
thiết kế làm chủ được công nghệ vi xử lý 8bit và 32bit là rất cần thiết. Bên
cạnh đó chúng tơi cũng xây dựng bài giảng điện tử, giáo trình cả phần lý
thuyết và thực hành nhằm phục vụ đào tạo nguồn nhân lực vi mạch phục vụ
các dự án đầu tư của các công ty chuyên ngành thiết kế vi mạch như: Intel,
Renesas, Altera, IBM, Canon...
1.4. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Làm chủ công nghệ thiết kế và chế tạo vi mạch đáp ứng nhu cầu phát triển
công nghiệp điện tử và CNTT Việt Nam thông qua:
-
Nghiên cứu phương pháp thiết kế, và chế tạo thử nghiệm chip vi xử lý
RISC 8 bit VN8-01 ở công nghệ 0,25um.
-
Nghiên cứu phương pháp thiết kế và chế tạo thử nghiệm chip vi xử lý
RISC 16/32 bit VN1632-01 ở công nghệ 0,25um.
Xây dựng một số ứng dụng cho vi xử lý RISC 8 bit VN8-01 và RISC 16/32
bit VN1632-01.
Xây dựng bài giảng điện tử, giáo trình cả phần lý thuyết và thực hành phục
vụ đào tạo chuyên viên điện tử phục vụ các dự án đầu tư của các công ty
chuyên ngành thiết kế vi mạch như: Intel, Renesas, Altera, IBM, Canon...).
1.5. ĐĂNG KÝ CHẤT LƯỢNG VÀ KẾT QUẢ KHCN CỦA
SẢN PHẨM ĐỀ TÀI
1.5.1. Đăng ký sở hữu trí tuệ
Chúng tơi đã tiến hành đăng ký quyền Sở hữu trí tuệ cho 2 sản phẩm (xem chi
tiết ở phụ lục 1 của báo cáo này):
-
Vi xử lý 8 bit RISC VN8-01
-
Vi xử lý 16/32 bit VN1632-01.
4
1.5.2. Chứng nhận Quốc tế lõi IP VN8-01 và VN1632-01 (xem chi tiết ở
phụ lục 2 của báo cáo này)
-
Chúng tôi đã đăng ký chất lượng quốc tế của tổ chức OCP-IP cho:
+ Lõi soft IP cho vi xử lý 8 bit RISC VN8-01
- Chúng tơi đã có chứng nhận của MOSIS cho:
+ Lõi hard IP công nghệ 0.25um cho vi xử lý 8bit RISC VN8-01
+ Lõi hard IP công nghệ 0.13um cho vi xử lý 32bit RISC VN1632-01
1.5.3. Kết quả đào tạo Thạc sĩ và Tiến sĩ
Thông qua đề tài chúng tôi đã đào tạo được 2 Thạc sĩ và 1 Nghiên cứu sinh.
1. ThS. Ngô Quang Vinh
2. ThS. Nguyễn Minh Chánh
3. NCS. Nguyễn Thế Đại Dương
Chú thích: Tồn bộ giấy xác nhận của các Thạc sĩ và Nghiên cứu sinh nêu
trên được đính kèm ở Phụ lục 3 của theo bản tóm tắt này.
1.6. TÁC ĐỘNG ĐỐI VỚI KINH TẾ XÃ HỘI
1.6.1. Tác động với xã hội
- Đề tài này là một đề tài nối tiếp theo đề tài vườn ươm công nghệ “Nghiên
cứu thiết kế lõi IP và chế tạo thử nghiệm chip 8-bit RISC SigmaK3”
nhưng thật ra đứng về mặt kỹ thuật, cả hai chip vi xử lý VN8-01 và
VN1632-01 đều vượt lên hẳn so với SigmaK3. Nếu như SigmaK3 được
thiết kế dựa trên kiến trúc và tập lệnh vi xử lý PIC của hãng Microchip thì
vi xử lý VN8-01 và VN1632-01 hồn tồn do Việt Nam làm chủ công
nghệ từ kiến trúc thiết kế, tập lệnh và trình biên dịch. Bên cạnh đó, khi
thực hiện thiết kế chip SigmaK3, đội ngũ kỹ sư của ICDREC chỉ gồm
khoảng 15 người chưa có nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực thiết kế vi
mạch, cần sự hỗ trợ tư vấn về kỹ thuật từ phía các chuyên gia của
5
Synopsys; khi thiết kế VN8-01 và VN1632-01, đội ngũ kỹ sư của
ICDREC đã phát triển lực lượng đến hơn 40 người (tính đến thời điểm bắt
đầu thực hiện đề tài – hiện nay, lực lượng ICDREC gồm 80 người), hoàn
toàn làm chủ được cơng nghệ, khơng cịn phụ thuộc vào các chuyên gia
của Synopsys nữa. Đây chính là cột mốc để từng bước vững chắc xây
dựng nền tảng vi mạch Việt Nam cả về số lượng lẫn chất lượng.
- VN8-01 và VN1632-01 là hai sản phẩm cao cấp trong lĩnh vực vi xử lý
RISC, mang tính đột phá về mặt kỹ thuật đối với ngành thiết kế vi mạch
Việt Nam. Sản phẩm tạo ra về mặt kỹ thuật ngang tầm với các sản phẩm
thương mại trên thế giới.
- Việc các sản phẩm của đề tài được tham gia vào thị trường thương mại IP
của thế giới trên hai sàn giao dịch lớn nhất là ChipEstimate và Design and
Reuse đã mở ra một ngành công nghiệp mới tại Việt Nam. Đây là một
ngành cơng nghiệp có nhiều ưu điểm, là khuynh hướng mà một số công ty
vi mạch trên thế giới đang hướng theo. Ưu điểm của khuynh hướng này là
các đơn vị hoạt động trong lĩnh vực này chỉ cần đầu tư phần mềm thiết kế
và tận dụng nguồn nhân lực công nghệ cao. Về mặt xã hội, các đơn vị
hoạt động trong lĩnh vực thiết kế vi mạch có thể chuyển giao, chia sẻ các
IP cho nhau nhằm kế thừa được tri thức của nhân loại, rút ngắn thời gian
đưa ứng dụng vào cuộc sống, cung cấp những sản phẩm tốt nhất và nhanh
nhất cho xã hội, là một ngành công nghiệp xanh, không gây ô nhiễm môi
trường.
- Với từng bước phát triển của nền công nghiệp vi mạch của Việt Nam, các
tập đồn, cơng ty vi mạch của thế giới đã nhận thấy được tiềm năng của
thị trường công nghiệp vi mạch tại Việt Nam, một số công ty đã và đang
tiến hành đặt trung tâm R&D tại Việt Nam như Applied Micro, Renesas,
Qualcomm, Analog Devices, Intel, Silicon Design Solutions... Điều này
6
cũng đã tạo việc làm cho nguồn nhân lực công nghệ cao của Việt Nam.
Đội ngũ này sẽ là lực lượng nịng cốt giúp Việt Nam ghi tên mình trên bản
đồ vi mạch của thế giới. Đặc biệt, trong thời gian qua, tập đoàn Analog
Devices và Synopsys đã phối hợp cùng ICDREC để tổ chức cuộc thi
“Thiết kế vi mạch analog AICD – 2010” dành cho sinh viên đang theo
học ngành điện tử và cơng nghệ thơng tin trên tồn quốc. Kết quả của
cuộc thi AICD – 2010 lần thứ nhất đã được ban lãnh đạo, các chuyên gia
nước ngoài của hai tập đoàn trên và các chuyên gia trong nước đánh giá
cao. Họ đề nghị ICDREC tiếp tục phối hợp với họ để tổ chức cuộc thi này
như một cuộc thi thường niên, tạo sân chơi tri thức cho sinh viên, làm cầu
nối giữa họ với nguồn nhân lực trẻ đầy tiềm năng của Việt Nam. Đây
chính là động lực, là dấu hiệu để khẳng định các tập đoàn này sẽ đầu tư
vào thị trường Việt Nam trong thời gian không xa.
- Song song với sự phát triển của các cơng ty vi mạch nước ngồi tại Việt
Nam, các công ty của Việt Nam cũng bắt đầu nhận ra tiềm năng của công
nghiệp vi mạch, cũng như nguồn lợi nhuận khổng lồ từ lĩnh vực này, bên
cạnh các công ty fabless như VSMC, TECAPRO, Viettel,... Tổng Công ty
Công nghiệp Sài Gòn cũng đề nghị kết hợp với ICDREC để đề xuất thành
lập nhà máy chế tạo vi mạch. Khi đó, cơng nghiệp vi mạch Việt Nam sẽ
thực hiện được tồn bộ các cơng đoạn từ đầu đến cuối để sản xuất ra vi
mạch thành phẩm để cung cấp cho thị trường trong và ngồi nước, hồn
tồn làm chủ cơng nghệ, không bị phụ thuộc vào các công ty nước ngoài.
- Những sản phẩm của đề tài cũng nhằm mục đích phục vụ cho các chương
trình an ninh quốc phịng của quốc gia và các dòng sản phẩm chuyên dụng
khác, giúp phát triển đa dạng các sản phẩm nhằm phục vụ cho nhu cầu
của xã hội.
7
Hình 1-1 Bản đồ cơng nghệ vi mạch của thê giới
- Chúng ta đã làm chủ công nghệ 0.25um (chip SigmaK3, VN8-01) và hiện
tại chúng ta đã đạt công nghệ 130 nm với chip Vi xử lý 32 bit VN163201. Với nỗ lực nghiên cứu không mệt mỏi của đội ngũ kỹ sư trẻ của
ICDREC, với mong muốn rút ngắn khoảng cách về công nghệ với các
nước trên thế giới, ICDREC đã tìm hiểu và mạnh dạn thiết kế vi xử lý
VN1632-01 ở công nghệ 130 nm. Đây cũng là công nghệ tiên tiến mà
Trung Quốc đang làm chủ để sản xuất vi mạch.
1.6.2. Tính khả thi và hiệu quả kinh tế của đề tài
- Khi đề tài chưa nghiệm thu chúng tôi đã ứng dụng sản phẩm của đề tài
thực tế thơng qua 2 hợp đồng với tập đồn Hịa Phát và Tổng cơng ty Bảo
đảm An tồn Hàng Hải 2. Hiện nay, chúng tôi đang chuẩn bị tiếp phase 2
với Tổng cơng ty Bảo đảm An tồn Hàng Hải 2. Tính về giá thành cũng
như chất lượng sản phẩm, những sản phẩm đang nghiên cứu đã được đối
tác đánh giá rất cao và mong muốn hợp tác lâu dài trong tương lai.
8
- Từ những so sánh về tính năng với các dịng chip cùng loại, dựa trên
những chi phí đầu tư của nhà nước, dựa vào sự tư vấn của các chuyên gia
định giá nước ngoài trong cũng lĩnh vực kinh doanh lõi IP, ICDREC đã
thành lập đội ngũ về sở hữu trí tuệ và định giá các sản phẩm lõi IP từ
những sản phẩm của đề tài. Cụ thể như sau:
STT
Lõi IP
Mã
Giá trị quy đổi hiện tại
Các lõi IP vi xử lý
1
8 bit VN8-01
vn801-s
$41,476
2
8 bit VN8-01
vn801-h
$460,843
3
32 bit VN1632-01
vn1632v1-s
$68,109
4
32 bit VN1632-01
vn1632v1-h
$727,910
Bảng 1-1 Định giá sản phẩm IP của đề tài
- Chúng tôi cũng đã liên hệ với một số hãng như ARM và MIPS để tìm hiểu
giá của một số sản phẩm có đặc tính kỹ thuật tương đương với sản phẩm
của đề tài:
o Hãng ARM đã chào giá sản phẩm của lõi IP ARM7 của họ với giá 2
triệu đô la Mỹ cho bản quyền sử dụng trong 2 năm, lõi IP ARM9 là 5
triệu đô la Mỹ trong 2 năm. Giá trên chỉ là giá để cung cấp lõi IP dưới
dạng hộp đen (back box), điều này có nghĩa là người mua chỉ sử dụng
được tính năng của lõi theo bản hướng dẫn của nhà cung cấp mà không
thể sửa đổi được nội dung bên trong, người dùng cũng không làm chủ
9
được công nghệ thiết kế. Bên cạnh việc bỏ tiền để được cấp quyền sử
dụng này, hãng ARM cịn tính tiền trên mỗi sản phẩm làm ra có sử
dụng lõi ARM là từ 2 đến 3 cent.
o Một hãng khác là MIPS Technologies cũng đưa ra giá sử dụng kiến trúc
tập lệnh (instruction set architecture, ISA) của VLX MIPS trong vịng 5
năm là 5 triệu đơ la Mỹ.
10
Chương 2. NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ CHIP VI XỬ
LÝ RISC 8 BIT VÀ 16/32 BIT
2.1. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1.1. Cách tiếp cận:
Nội dung nghiên cứu này gồm 2 phần chính:
Nghiên cứu, hồn thiện thiết kế, và chế tạo thử nghiệm chip vi xử lý
RISC 8 bit VN8-01 từ chip vi xử lý 8-bit đã phát triển ở công nghệ
0,25um.
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm chip vi xử lý RISC 16/32
bit VN1632-01 ở công nghệ 0,25um.
-
Ở phần 1 là đề tài nâng cấp từ đề tài ươm tạo công nghệ, chúng tôi đã có
nhiều kinh nghiệm trong việc thiết kế vi xử lý RISC 8 bit nên chúng tối đã
tận dụng các kinh nghiệm này trong khi triển khai nội dung phần này.
- Ở phần 2, thông qua mối quan hệ hợp tác với ARM. Chúng tôi đã mời các
chuyên gia của ARM qua giảng dạy về cấu trúc ARM tại ICDREC.
2.1.2. Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng:
2.1.2.1. Phương pháp nghiên cứu
Quy trình thiết kế VN8-01 và VN1632-01 tuân thủ chặt chẽ theo quy trình
thiết kế số chuẩn mực của thế giới. Chúng tơi sử dụng gói phần mềm của
cơng ty Synopsys. Các thiết kế số thường được thực hiện qua 2 giai đoạn:
Front-End và Back-End. Vì thế cụ thể chúng tơi sẽ chia làm 6 nhóm, 3 giai
đoạn thiết kế chính:
Giai đoạn Front-end:
11
Giai đoạn Front-End thường được gọi là giai đoạn “Early Physical Design”
hay đơn giản hơn là giai đoạn “Design”. Sản phẩm cuối cùng của giai đoạn
Front-End là netlist ở mức cổng (sau tổng hợp). Nhóm đề tài đã thực hiện
theo trình tự sau:
Hình 2-1 Quy trình thiết kế giai đoạn Front-End
Bước 1: System Specification
Từ yêu cầu của dự án, bước đầu tiên là phân tích nhằm thiết lập đặc tả hệ
thống (System Specification). Đặc tả hệ thống bao gồm luồng dữ liệu {Data
Flow}; định thời {Timing}; sơ đồ chân; Mô tả từng khối chức năng, kết nối
giữa các khối với nhau…
Bước 2: Function design
Bước tiếp theo là lập trình chức năng cho từng khối chức năng, còn được gọi
là viết RTL code, sử dụng các ngôn ngữ mô tả phần cứng như là Verilog,
VHDL …
Bước 3: Logic design
12
Dùng phần mềm Leda để kiểm tra cú pháp (Syntax) của RTL code và các luật
(Rule) để quá trình tổng hợp thiết kế (Synthesize Design) được tối ưu – Quá
trình này gọi là “Logic Design”. Đồng thời dùng VCS kiểm tra ở mức RTL
Code chức năng của từng khối chức năng, nếu phát hiện lỗi quay lại thực hiện
bước 2.
Bước 4: Logic verification
Kết nối các khối chức năng lại với nhau và dùng VCS mô phỏng kiểm tra
chức năng của toàn bộ chip (chip level) ở mức RTL.
Bước 5: Circuit Design
Dùng phần mềm tổng hợp DC (Design Compiler) để tổng hợp thiết kế
(Synthesize Design) – Quá trình này gọi là “Circuit Design”. Sau đó, ta sẽ
dùng VCS kiểm tra ở mức Netlist (Circuit Verification) chức năng của toàn
bộ hệ thống (Chip Level), nếu phát hiện lỗi sẽ quay trở lại thực hiện bước 2.
Sản phẩm cuối cùng của giai đoạn Front-End là netlist ở mức cổng của thiết
kế. File netlist này sẽ được chuyển giao cho nhóm Back-End thực hiện layout.
Các nhóm tham gia:
+ Nhóm Specification: đây là nhóm có vai trị quan trọng trong việc phân tích
các đặc tính kỹ thuật của vi xử lý, xây dựng sơ đồ khối và đánh giá timing của
hệ thống. Nhóm này cũng chịu trách nhiệm viết RTL code cho từng khối và
kiểm tra hoạt động của từng khối
+ Nhóm Verification: nhóm này chiụ trách nhiệm tổng hợp RTL code cho
toàn hệ thống và kiểm tra hoạt động của cả hệ thống.
Giai đoạn Back-end
Giai đoạn “Back-end” còn gọi là giai đoạn “Physical Design” hay đơn giản
hơn là giai đoạn “Layout”. Sản phẩm cuối cùng của giai đoạn Back-End là
file GDSII có thể đưa đi sản xuất chip ở nhà máy
13
Hình 2-2 Quy trình thiết kế giai đoạn Back-End
Bước 1:
Nhóm Back-End sẽ dùng tool Astro để thực hiện layout cho thiết kế. Dữ liệu
đầu vào của giai đoạn Back-End là netlist ở mức cổng và các ràng buộc (được
lấy từ phần Front-End).
Phần Layout được thực hiện trình tự 6 bước như sau:
Design & Timing Set up: Tạo thư viện thiết kế và starting cell từ thư viện
chuẩn của nhà sản xuất kết hợp với file netlist và ràng buộc timing từ
front_end
Floorplanning: Xác định diện tích lõi thiết kế, tạo các pad nguồn,đặt các IO
pads và các macro cell (nếu có), định hướng sắp xếp các macro cell hợp lý,
tạo lưới power, xác định việc đặt các khối đã routing trước đó….
Placement: Thực hiện việc đặt các cell trong bản floorplaning với mục tiêu
không vi phạm congestion và timing, xử lý các yêu cầu auto_place các cell,
thực hiện phân tích tối ưu sau khi auto_placement.
14
Clock tree synthesis: Thiết lập các thông số cho việc tổng hợp clock, xác định
cây clock ẩn các điểm đầu cuối để có những thay đổi cần thiết. Kiểm sốt các
ràng buộc và các mục tiêu về timing sử dụng để tổng hợp cây clock. Phân tích
timing và các thơng số kỹ thuật của clock sau khi tổng hợp.
Routing: Thực hiện nối dây các cell một cách tự động theo đúng rule công
nghệ của nhà sản xuất chip.Tiến hành phần tích timing và các hiệu chỉnh tối
ưu khác.
Design for Manufacturing: Thực hiện các bước yều cầu cần thiết sau khi
routing:Antenna fixing,metal filling, metal slotting,thêm các contact …
Bước 2:
Dùng công cụ Hercules để kiểm tra LVS {Layout Versus Schematic
Comparison – So sánh “Sơ đồ bố trí” với “Sơ đồ nguyên lý vận hành”} và
DRC {Design Rule Checking – Kiểm tra luật thiết kế, đối chiếu “Thơng số bố
trí ở mức vật lý” với “Thông số chuẩn do nhà máy đưa ra”} của file layout
vừa thực hiện ở trên bởi tool Astro. Đồng thời, file layout này cũng được
verification lại ở mức sau layout trên tool VCS. Nếu các kiểm tra ở bước này
xuất hiện lỗi thì cần phải quay lại thực hiện các bước trên. Nếu mọi thứ đều
tốt, thì file layout này sẽ là file layout cuối cùng có thể gởi tới nhà máy sản
xuất.
Nhóm tham gia:
+ Nhóm Physical Design: nhóm này chịu trách nhiệm place và route, kiểm
tra timing sau khi layout.
2.1.2.2. Kỹ thuật sử dụng
- Kỹ thuật sử dụng sẽ là ngôn ngữ Verilog cho RTL code trên môi trường làm
việc của bộ phần mềm chuyên dụng Synopsys (Leda, VCS, DC, Astro,
Hercules).
15
2.2. PHỐI HỢP VỚI CÁC CÁ NHÂN TỔ CHỨC TRONG
QUÁ TRÌNH TRIỂN KHAI
2.2.1. Các tổ chức trong nước
ICDREC đã được Đại học Quốc Gia TpHCM trang bị đầy đủ phần mềm
-
chuyên dụng thiết kế của Synopsys, các kit lập trình của Altera và Xinlinx,
cũng như đã có kinh nghiệm trong việc thiết kế chip RISC thông qua đề tài
vườn ươm công nghệ.
ICDREC phối hợp cùng với Đại học Khoa học Tư nhiên TpHCM thực hiện
-
bộ phần mềm phát triển cho chip vi xử lý RISC 8bit VN8-01
2.2.2. Các chuyên gia và tổ chức ngoài nước
Đề tài được sự tài trợ về kỹ thuật và công nghệ của nhiều chuyên gia của các
hãng lớn trên thế giới như:
-
Tiến sĩ Trần Thắng chuyên gia của hãng Texas Instruments, là người chủ
sở hữu trí tuệ của nhiều thiết kế liên quan đến cấu trúc CPU và hệ thống
Bus, đã sang Việt Nam vào ngày 10 tháng 08 năm 2009 để hỗ trợ nhóm
nghiên cứu đề tài về “Kiến Trúc Vi xử lý 32 bit – RISC” Đây là một khóa
học nhằm nâng cao kiến thức, kỹ thuật cũng như nâng cao trình độ thiết
kế lõi IP, đặc biệt là thiết kế hệ thống CPU với các tính năng mới của
CPU (CPU’s advanced features training)
-
Chuyên gia người Mỹ William Hohl và Joe Bungo của công ty ARM
Limited đã đến Việt Nam vào ngày ngày 13 tháng 6 năm 2009 trình bày
cấu trúc ARM (Acorn RISC Machine) - một loại cấu trúc vi xử lý 32-bit
kiểu RISC được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị cầm tay.
-
Tiến sĩ Phạm Năng Tùng của hãng Qualcomm đã sang Việt Nam để giúp
nhóm thực hiện khâu phân tích hệ thống và viết RTL code. Tiến sĩ Phạm
Năng Tùng cũng sẽ mở một khóa đào tạo kỹ năng viết RTL code cho
nhóm dự án.
16
Các cơng ty và những cá nhân nói trên hỗ trợ trên tinh thần giúp đỡ đại học
nói riêng, khơng đặt vấn đề chia xẻ quyền sở hữu trí tuệ.
2.3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
2.3.1. Danh sách sản phẩm khoa học công nghệ
Thông qua nội dung “Nghiên cứu và thiết kế chip vi xử lý RISC 8 bit và
16/32 bit” chúng tôi đã đạt được các sản phẩm sau:
TT
Tên sản phẩm
Số
Ghi chú
lượng
01
Lõi soft IP cho vi xử lý 8 bit RISC VN8-01
01
kỹ thuật đã đăng ký
dùng cho FPGA
02
trong thuyết minh
Lõi soft IP cho vi xử lý 8 bit RISC VN8-01
01
trong thuyết minh
Lõi hard IP với công nghệ 0,25um cho vi xử lý
01
trong thuyết minh
Lõi soft IP cho vi xử lý 16/32 bit RISC
01
trong thuyết minh
Lõi soft IP cho vi xử lý 16/32 bit RISC
01
Đạt được các tiêu chí
kỹ thuật đã đăng ký
VN1632-01 dùng cho ASIC
06
Đạt được các tiêu chí
kỹ thuật đã đăng ký
VN1632-01 dùng cho FPGA
05
Đạt được các tiêu chí
kỹ thuật đã đăng ký
8 bit RISC VN8-01 dùng cho ASIC
04
Đạt được các tiêu chí
kỹ thuật đã đăng ký
dùng cho ASIC
03
Đạt được các tiêu chí
trong thuyết minh
Lõi hard IP với cơng nghệ 0,13um cho vi xử lý
16/32 bit RISC VN1632-01 dùng cho ASIC
17
01
Đạt được công nghệ
0,13um cao hơn công
nghệ đã đăng ký trong
thuyết minh
07
20
Đạt được các tiêu chí
kỹ thuật cao hơn cơng
Chip vi xử lý VN1632-01
nghệ đã đăng ký trong
thuyết minh.
08
20
Chip vi xử lý VN8-01
Đạt được các tiêu chí
kỹ thuật đã đăng ký
trong thuyết minh
Bảng 2-1 Danh sách sản phẩm khoa học công nghệ
2.3.2. So sánh VN8-01 với các vi xử lý cùng loại đang phổ biến trên thị
trường
AT89C52
PIC16C67
VN8-01
(ATMEL)
Vi xử lý
(MicroChip)
(ICDREC)
Kiến trúc
CISC
RISC
RISC
Bộ nhớ chương trình
8K x 8 bit
8K x 14 bit
32K x 14 bit
Bộ nhớ dữ liệu
256 x 8 bit
368 x 8 bit
512 x 8 bit
Tần số (*)
24 MHz
20 MHz
100 MHz
Pipeline
Khơng có
2 tầng
5 tầng
Số xung clock / lệnh
12
4
1
I/O PORTs
I/O PORTs
I/O PORTs
TIMER
TIMERs
TIMERs
UART
WATCHDOG
WATCHDOG
INTERRUPT
USART
USART
CCP
CCP
SSP
INTERRUPT
Ngoại vi
PSP
INTERRUPT
18
Bảng 2-2 So sánh VN8-01 với các vi xử lý cùng loại
2.3.3. So sánh VN1632-01 với các vi xử lý cùng loại đang phổ biến trên thị
trường
VN1632-01
TMPR3901F (TOSHIBA)
RISC Harvard, pipeline 5 RISC Harvard, pipeline 5 tầng
Kiến trúc
tầng
Bus chương trình và bus bộ Bus chương trình và bus bộ nhớ
Cấu trúc bus
nhớ tách rời
tách rời
Tập thanh ghi
32 thanh ghi
32 thanh ghi
Bộ nhân
Thực hiện bằng phần cứng
Thực hiện bằng phần cứng
Bộ nhớ Cache
8Kbytes I-Cache
4Kbytes I-Cache
8Kbytes D-Cache
1Kbytes D-Cache
Package
176 Pin
160 pin
Bus Interface
Bus AMBA
Bus hệ thống
Tập lệnh
65 lệnh
75 lệnh
Chế độ debug
có
có
Điện áp hoạt động
2.5V
3.3V
Power Down Mode
Khơng có
Có
pha Khơng có
Có
Đơn vị quản lý bộ Khơng có
Có
Vịng
khóa
(PLL)
nhớ (MMU)
Bảng 2-3 So sánh VN1632-01 với các vi xử lý cùng loại
2.3.4. Tính độc đáo và sáng tạo
-
Vi xử lý 8 bit RISC VN8-01 có tốc độ thực hiện nhanh gấp 2 lần
19
