I. Mở Đầu
Trong quá trình thiết kế chip, có 3 mục tiêu quan trọng mà các kỹ sư thiết kế đều muốn tối ưu chính là: “Power – Performance – Area” hay còn được viết tắt là PPA. Các con chip ngày càng nhỏ, mật độ các bóng bán dẫn được tích hợp trong một con chip ngày càng cao.
Nhưng nếu một con chip trên điện thoại cho hiệu năng rất cao khi hoạt động lại quá nhiệt và tiêu tốn quá nhiều năng lượng thì đó chưa phải là một con chip tốt. Và tương tự với một con chip siêu tiết kiệm năng lượng nhưng hiệu năng rất thấp cũng sẽ không được đánh giá cao.
Nhiệm vụ của kỹ sư thiết kế chip là làm sao tối ưu và hài hoà được những yếu tố trên một cách hợp lý theo yêu cầu thiết kế (Architecture) được đề ra.
Như tiêu đề bài viết thì hôm nay mình sẽ tập trung vào khía cạnh công suất trong thiết kế, có lẽ chúng ta đã quá quen với những cụm từ tiết kiệm năng lượng hay là low power được đính kèm vào những sản phẩm điện tử hiện nay.
Chính nhu cầu về hiệu quả hoạt động và thời gian sử dụng ngày càng tăng mà những sản phẩm tiết kiệm năng lượng hay công suất thấp rất được ưa chuộng. Vậy hãy cùng xem xét công suất của một con chip cơ bản gồm tác động của những thành phần nào nhé.
II. Công Suất
Có thể chia ảnh hưởng của công suất lên một con chip thành hai loại là công suất động (dynamic power) và công suất tĩnh (static power).
Để dễ hình dung, mình sẽ lấy ví dụ là một chiếc vòi nước bị rò rỉ. Khi chúng ta mở van nước tương ứng với khi mạch hoạt động và ngược lại với khi đóng van. Công suất động chính là lượng nước chảy ra khi bạn mở van còn công suất tĩnh chính là lượng nước thất thoát khi van đã khoá nhưng nước bị rò rỉ.
Hoạt động bên trong của con chip ở cấp độ bóng bán dẫn cũng như vậy. Khi mạch hoạt động, sự thay đổi giá trị ngõ vào từ 1 sang 0 hoặc từ 0 sang 1 tác động đến quá trình nạp xả tụ và một phần công suất ngắn mạch được gọi là công suất động.
Vậy khi mạch không hoạt động sao lại tiêu tốn công suất nhỉ?
Thật ra sẽ luôn có dòng điện bị rò rỉ khi mạch không hoạt động, điều này ảnh hưởng chủ yếu do công nghệ CMOS được sử dụng nhưng ở phạm vi bài viết lần này mình sẽ tập trung vào công suất động và kỹ thuật giảm công suất động.
Công suất động bao gồm công suất chuyển mạch (P-switching) và công suất ngắn mạch (P-short-circuit). Quan sát hình 2, công suất chuyển mạch (đường màu xanh) và công suất ngắn mạch (đường màu đỏ) phần nào minh họa khái niệm của hai loại. Công suất chuyển mạch chính là lượng điện được nạp và xả tại tụ CL thông qua quá trình bật tắt của transistor.
Đến đây thì phải nói qua một chút về transistor pmos và nmos.
Dựa vào hình 3 dưới đây bạn có thể thấy transistor pmos và nmos hoạt động như một công tắc. Công tắc P đóng khi ngõ vào bằng 0 và hở khi ngõ vào bằng 1. Quy tắc trên sẽ đảo ngược lại với công tắc N (đóng:1 và hở: 0).
Bây giờ chúng ta cùng trở lại với hình số 2, giả sử ngõ vào là 0 thì pmos đóng. Dòng điện từ VDD dẫn xuống nạp vào tụ CL đồng thời ngõ ra bằng 1, hoàn toàn chính xác với bảng chân lý của cổng đảo (Inverter).
Qua phân tích hoạt động của cổng đảo ở trên, bạn có tự hỏi khi giá trị ngõ vào nằm giữa khoảng thời gian chuyển từ 0 sang 1 hay từ 1 sang 0 thì mạch điện sẽ như thế nào không nhỉ?
Để dễ hiểu thì nó sẽ giống hồi bé chúng ta thường bật công tắc đèn cho nó nằm ở giữa xem đèn sáng hay tắt vậy đó. Trong quá trình chuyển từ 0 sang 1 (đường màu đỏ hình 2), lúc này cả pmos và nmos đều dẫn gây ra hiện tượng ngắn mạch (VDD nối mass) và nó cũng chính là công suất ngắn mạch.
III. Kết Bài
Bài viết cũng đã dài, ở phần tiếp theo mình sẽ đi vào kỹ thuật giảm công suất ‘clock gating’ cũng như những ưu và nhược điểm của kỹ thuật này. Bài viết có tham khảo nội dung từ cuốn sách “CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective 4th” của tác giả David Harris và Neil Weste.
