Sau khi tìm hiểu các khái niệm cơ bản ở các bài viết trước, hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu quy trình để có thể thiết kế ra một con chip vi mạch số. Trên mạng có nhiều sơ đồ khác nhau nhưng nhìn chung lại sẽ gồm các khâu chính như sau:

1.Collect requirements

Ở giai đoạn này, đội sale/marketting sẽ khảo sát thị trường và thu thập các yêu cầu kỹ thuật từ khách hàng hoặc từ dự án, tập trung vào các thông số như hiệu suất, công suất tiêu thụ, kích thước, và chi phí sản xuất của chip. Sau khi xác định yêu cầu, quá trình chuyển sang bước xác định các yêu cầu sản phẩm và đặc tả kỹ thuật (Product Requirement/Specification), nơi tất cả các yêu cầu chức năng của chip được làm rõ để đảm bảo thiết kế đáp ứng đúng mục tiêu đã đặt ra.

2.Front-End Design

Giống như Software có khái niệm Front-End và Back-End, thiết kế chip cũng tương tự. VLSI Front-End Design có thể được chia thành 2 phần chính

2.1 Chip architecture design

Bước này xác định cấu trúc tổng thể của chip VLSI để thỏa mãn các yêu cầu ở step trước, bao gồm việc phân chia các khối chức năng chính và cách thức mà các khối này sẽ giao tiếp với nhau. Kiến trúc của chip là cực kỳ quan trọng và có ý nghĩa quyết định đến sự thành công của cả dự án.

2.2 Micro-architecture design

Sau khi kiến trúc đã hoàn thành, các khối chức năng sẽ được bàn giao xuống cho các kỹ sư RTL Design để bắt đầu thiết kế RTL. RTL được thiết kế bởi các RTL Design Engineer sẽ được kiểm tra kỹ lưỡng bởi các kỹ sư Design Verification (DV) để xác minh tính đúng đắn. Nếu có bug xảy ra, các kỹ sư DV sẽ feedback lại cho RTL Designer để sửa. Sản phẩm cuối cùng của khâu này chính là RTL đã được kiểm tra và thỏa mãn đầy đủ yêu cầu thiết kế của dự án.

3.Back-End Design

Back-end trong thiết kế VLSI là giai đoạn tập trung vào việc chuyển đổi thiết kế logic thành một cấu trúc vật lý hoàn chỉnh và tối ưu hóa nó để sản xuất chip. Quy trình này bắt đầu với bước tổng hợp logic (Synthesis), nơi mô tả thiết kế logic ban đầu được chuyển đổi thành một mạng lưới cổng (netlist) thể hiện các thành phần và kết nối logic thực tế.

Quá trình sản xuất sẽ không tránh khỏi những lỗi sai (ví dụ như ngắn mạch, hở mạch..) đòi hỏi cần phải có cách thức để phát hiện khi có lỗi xảy ra. Vậy nên các mạch Design For Test (DFT) sẽ được tích hợp vào để đảm bảo rằng chip có thể được kiểm tra hiệu quả sau khi sản xuất.

Tiếp theo, giai đoạn thiết kế vật lý (Physical Design – PD) diễn ra, bao gồm các bước như đặt cell (placement), định tuyến kết nối (routing), và tối ưu hóa không gian cũng như hiệu suất của chip. Đây là giai đoạn mà các thành phần logic được sắp xếp và kết nối trên bản thiết kế silicon, nhằm đảm bảo thiết kế cuối cùng phù hợp với các giới hạn vật lý và điện tử.

Song song với toàn bộ quy trình thiết kế Back-End chính là các bước phân tích timing tĩnh (Static Timing Analysis – STA) được tiến hành để đảm bảo rằng các đường dẫn tín hiệu trong thiết kế đáp ứng các yêu cầu về thời gian, giúp phát hiện và khắc phục các vấn đề liên quan đến độ trễ thực tế.

4. Manufacture & packaging

Sau khi hoàn thành giai đoạn thiết kế back-end, chip sẽ được chuyển sang giai đoạn sản xuất và đóng gói (Manufacture and Packaging). Ở bước này, thiết kế vật lý của chip được sử dụng để tạo ra các mặt nạ sản xuất (masks), những bản mẫu này sẽ được dùng trong quá trình photolithography để chế tạo chip trên các tấm wafer silicon tại nhà máy bán dẫn (foundries). Quá trình này bao gồm nhiều bước phức tạp như khắc, cấy ion, và tráng phủ các lớp vật liệu nhằm tạo ra các lớp bán dẫn và kim loại theo thiết kế. Sau khi chế tạo xong, các chip sẽ được cắt ra khỏi wafer và đưa vào giai đoạn đóng gói. Đóng gói có nhiệm vụ bảo vệ chip khỏi các yếu tố môi trường bên ngoài và đảm bảo kết nối điện giữa chip và bo mạch chủ thông qua các chân tiếp xúc (pins) hoặc các kết nối khác.

5. CHIP Testing (CHIP validation)

Giai đoạn cuối cùng là kiểm tra (Testing), một bước quan trọng để đảm bảo rằng chip hoạt động đúng chức năng và đạt tiêu chuẩn chất lượng trước khi đưa ra thị trường bao gồm: kiểm tra chức năng (functional testing), kiểm tra hiệu năng (performance testing), kiểm tra lỗi trong quá trình sản xuất (scan test, BIST test)…