Ngành thiết kế vi mạch là gì? Ra trường làm gì?

1. Ngành thiết kế vi mạch là gì?

Ngành thiết kế vi mạch là ngành thuộc kỹ thuật điện tử, có liên quan đến việc thiết kế và phát triển mạch điện tử nhỏ gọn, được tích hợp vào bộ vi xử lý hoặc vi điều khiển. Các vi mạch được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau có thể kể đến từ máy tính, điện thoại thông minh đến các thiết bị y tế, ô tô.

Đối với câu hỏi học thiết kế vi mạch có khó không, câu trả lời là có. Vì ngành học này đòi hỏi sinh viên phải có nền tảng kiến thức khá chắc chắn về điện tử, vật lý, toán học và cuối cùng là lập trình. Đây là lĩnh vực chuyên sâu, yêu cầu sự tập trung, kỷ luật và nhẫn nại của người học.

Một sinh viên theo học ngành thiết kế vi mạch cần hiểu các thành phần điện tử cơ bản, các loại mạch điện, nguyên lý hoạt động. Bạn cũng cần phải nắm vững các khái niệm về điện, từ trường, cấu trúc nguyên tử, hiệu ứng vật lý trong thiết kế vi mạch. Ngoài ra, khả năng thành thạo các kiến thức về đại số, giải tích, thống kê cùng khả năng biết các các ngôn ngữ lập trình ví dụ như Verilog, VHDL và C/C++ để mô phỏng, kiểm tra là điều rất cần thiết.

Tuy nhiên, nếu có sự chuẩn bị tốt cùng nỗ lực và kiên trì, sinh viên hoàn toàn có thể vượt qua những khó khăn thách thức và thành công trong lĩnh vực thiết kế vi mạch.

2. Các chuyên ngành thiết kế vi mạch tại Việt Nam

Trước sự bùng nổ của ngành công nghiệp bán dẫn, thiết kế vi mạch trở thành ngành hot hiện nay và mang nhiều cơ hội việc làm cho các sinh viên tốt nghiệp ra trường. Dưới đây là chi chiết các chuyên ngành thiết kế vi mạch tại nước ta.

2.1. Xử lý tín hiệu số với FPGA

FPGA (Field Programmable Gate Array) là một loại vi mạch rất linh hoạt, cho phép người dùng lập trình lại các tác vụ logic bên trong nó. So với các vi mạch khác, FPGA có khả năng thay đổi cấu trúc logic sau khi sản xuất.

Thiết kế chip FPGAfpga là quá trình tạo ra một thiết kế logic hay mạch điện tử được triển khai trên một chip FPGA. Quá trình này sẽ bao gồm các bước như mô hình hóa các chức năng của hệ thống, tổ chức khối logic, kết nối các khối này lại với nhau và triển khai thiết kế lên chip FPGA.

2.2. Thiết kế vi mạch số

Thiết kế mạch số (Digital Circuit Design) là việc xây dựng các hệ thống logic số bao gồm bộ đếm, mạch logic, flip-flop, các bộ nhớ đơn giản. Để theo học môn thiết kế vi mạch số, sinh viên cần có các kiến thức về các con chip, vi điều khiển và vi xử lý cùng với bus hệ thống.

• Kiến thức về chip SoC: Bạn cần hiểu chức năng, hoạt động của các thành phần trong một chip SoC ví dụ như PLL, CPU, Bus, RAM, ADC, DAC, UART, SPI… Mục tiêu là chỉ cần biết khái niệm về các khối chức năng thông dụng.
• Kiến thức về vi điều khiển, vi xử lý: Các chip SoC hiện nay đều có lõi vi xử lý bên trong. Do đó, kiến thức này có liên quan đến các vị trí làm việc khác nhau trong lĩnh vực vi mạch. Hiểu cấu trúc, hoạt động và vai trò vi xử lý trong hệ thống sẽ giúp bạn có cái nhìn tổng quan tốt về chip SoC.
• Kiến thức về bus hệ thống: Đây là một thành phần luôn có trong chip SoC hiện nay. Với vai trò chuyển dữ liệu bên trong chip, bus hệ thống sẽ kết nối các thành phần chức năng bên trong của chip, ảnh hưởng lớn đến hiệu quả xử lý của chip SoC.

2.3. Thiết kế vi mạch tương tự và hỗn hợp

Thiết kế mạch tương tự (Analog Circuit Design) là việc tạo ra các mạch khuếch đại, bộ lọc, mạch dao động, các linh kiện tương tự.

• Đặc điểm thiết kế: (Thông số kỹ thuật → Ràng buộc → Cấu trúc liên kết → Phát triển điểm chuẩn kiểm tra).
• Sơ đồ xác định dòng chảy: (Mục nhập sơ đồ cấp hệ thống → Kiến trúc kích thích HDL → Đặc tả khối HDL → Mục nhập sơ đồ cấp độ mạch → Mạch kích thích và tối ưu hóa)
• Dòng chảy vật lý: (Mục nhập bố cục dựa trên PCell → Kiểm tra/xác minh quy tắc thiết kế (DRC) → Bố cục so với sơ đồ (LVS) → Trích xuất ký sinh → Mô phỏng sau bố cục → Băng ra)

2.4. Kỹ thuật số

Kỹ thuật số là ngành chuyên đào tạo các kiến thức về những thành phần logic cơ bản bao gồm cấu trúc, chức năng, hoạt động của những phần tử logic như AND, OR, XOR, NOT, NAND, NOR, Flip-Flop, Latch… Đây là các thành phần cơ bản tạo nên mạch số.

Ngoài ra, sinh viên còn được đào tạo các kiến thức về thiết kế mạch logic bao gồm kiến thức về đại số Boolean, bìa Karnaugh, mạch tuần tự, mạch tổ hợp, máy trạng thái… Mục đích là để xây dựng nên mạch số dựa vào các phần tử logic đã được học.

2.5. Hệ thống máy tính và ngôn ngữ lập trình

Hệ thống máy tính và ngôn ngữ lập trình sẽ cung cấp cho sinh viên các kiến thức nền tảng vi mạch. Sinh viên theo học sẽ được ôn lại các khái niệm cơ bản về tin học ví như hệ đếm, các kiểu dữ liệu, dấu chấm động, các phép toán số học, luận lý trên bit.

Ngoài ra, môn học hệ thống máy tính cũng giới thiệu các khái niệm cơ bản về cổng logic, mạch tuần tự, mạch tổ hợp, bộ nhớ… Đây là tiền đề cho môn kỹ thuật số. Sinh viên cũng sẽ được tìm hiểu các thành phần cơ bản của máy tính, các mô hình kiến trúc, tập lệnh máy tính đơn giản. Đây cũng là nền tảng của môn kiến trúc máy tính về sau.

Đối với phần ngôn ngữ lập trình, sinh viên sẽ được cung cấp các kiến thức về lập trình nhúng, viết phần mềm cho thiết bị nhúng. Các ngôn ngữ lập trình nhúng như assembly hay C là những ngôn ngữ phổ biến khi phát triển phần mềm cho vi mạch và hệ thống nhúng.

2.6. Mạch điện

Mạch điện là môn cơ sở ngành quan trọng của thiết kế vi mạch, đặc biệt với vi mạch tương tự (analog). Nội dung cơ bản của môn học là bao gồm nguyên lý cơ bản của mạch điện ví như điện áp, dòng điện, tụ điện, điện trở cuộn cảm và tìm hiểu các phương pháp phân tích mạch điện. Môn học này sẽ giúp sinh viên hiểu rõ về các linh kiện điện tử cơ bản có thể là diode, transistor, MOSFET và cách chúng hoạt động trong các mạch khuếch đại, mạch dao động…

2.7. Mạch điện tử

Hiểu biết về các nguyên lý, cách tính toán và hoạt động của mạch điện là cơ sở để giải thích, phân tích các hiện tượng và các thông số điện của mạch. Các kiến thức về các linh kiện điện tử bao gồm điện trở, tụ điện và các linh kiện bán dẫn ví như BJT, MOSFET, CMOS rất quan trọng với các kỹ sư điện tử.

Vi mạch cũng là một loại linh kiện điện tử, do đó việc nắm vững các cấu trúc và hoạt động của những linh kiện điện tử từ thông dụng đến phức tạp sẽ rất hữu ích khi làm việc trong ngành thiết kế vi mạch sau này.

2.8. Vi xử lý

Vi xử lý (viết tắt μP hay uP), còn được gọi là bộ vi xử lý, là một linh kiện điện tử được chế tạo từ những tranzito thu nhỏ tích hợp lên trên một vi mạch tích hợp hơn. CPU (Khối xử lý trung tâm) là một bộ vi xử lý được nhiều người biết đến. Nhiều thành phần khác trong máy tính cũng có bộ vi xử lý riêng của nó.

Môn học kỹ thuật vi xử lý là nghiên cứu phần cứng của máy tính. Các kiến thức cần có cho môn học này là kỹ thuật điện tử số và kiến trúc máy tính.

2.9. Kiến trúc máy tính

Kiến trúc máy tính là môn học vai trò quan trọng trong việc hiểu, thiết kế các hệ thống máy tính với các nội dung chính như sau:

• Tìm hiểu về cấu trúc, hoạt động của CPU: CPU, ALU, Cache và các stage xử lý của CPU ví như instruction/data fetch, decode, execute, write back.
• Có kiến thức về hệ thống bộ nhớ bao gồm: RAM, ROM, external memories, cách tổ chức, truy xuất bộ nhớ.
• Tìm hiểu kiến thức về đa lõi, xử lý song song, cách mà các CPU hiện đại tối ưu hóa hiệu suất bằng việc chia nhỏ các tác vụ.
• Học về hệ thống BUS, I/O, phân tích cách mà hệ thống bus kết nối, quản lý giao tiếp giữa những thành phần trong máy tính.
• Tìm hiểu về các kỹ thuật tối ưu hóa, tăng tốc ví như pipeline, superscalar, speculative execution để tăng tốc độ xử lý.

3. Học ngành thiết kế vi mạch ra làm gì?

Học ngành thiết kế vi mạch không hề dễ dàng nhưng nhiều sinh viên thắc mắc khi ra trường họ sẽ làm gì. Thực tế, ngành công nghiệp bán dẫn đang bùng nổ tại nước ta, mở ra nhiều cơ hội hấp dẫn cho các bạn trẻ có niềm đam mê với lĩnh vực này. Dưới đây là những vị trí công việc thuộc ngành thiết kế vi mạch:

3.1. Kỹ sư thiết kế mạch điện tử

Kỹ sư thiết kế mạch điện tử là những chuyên gia chịu trách nhiệm việc thiết kế, phát triển, kiểm tra các mạch điện tử tích hợp trên các chip bán dẫn.

Yêu cầu công việc:

• Lập yêu cầu, kiểm tra, giám sát vật tư - thiết bị trong toàn bộ quá trình sản xuất.
• Phối hợp với các bộ phận liên quan trong toàn bộ quá trình thiết kế, sản xuất nhằm đảm bảo tiêu chuẩn theo yêu cầu.
• Lập hệ thống khung tiêu chuẩn cho các sản phẩm mạch điện tử.
• Soạn thảo các tài liệu kỹ thuật phục vụ cho quá trình sản xuất.

3.2. Kỹ sư thiết kế DFT ((Design for Test)

Kỹ sư thiết kế DFT có nhiệm vụ đảm bảo chất lượng, độ tin cậy của vi mạch bằng cách tích hợp các tính năng kiểm tra vào trong thiết kế. Công việc của những người này là có sự liên kết chặt chẽ với các kỹ sư thiết kế khác để xác định các yêu cầu kiểm tra và phát triển kiến trúc DFT nhằm tối ưu hóa hiệu quả của các quá trình kiểm tra.

Yêu cầu công việc:

• Phân tích các yêu cầu kiểm tra.
• Thiết kế kiến trúc thiết kế DFT.
• Tích hợp DFT vào các mạch.
• Thiết kế, kiểm tra mẫu kiểm tra (Test Patterns).
• Kiểm tra, chẩn đoán (Testing and Debugging).
• Tối ưu hóa quá trình DFT.

3.3. Kỹ sư thiết kế vật lý

Kỹ sư thiết kế vật lý có vai trò then chốt trong việc biến ý tưởng thiết kế thành sản phẩm IC hoàn chỉnh. Công việc của họ là biến những bản vẽ chi tiết thành những con chip tinh vi, tạo nên sức mạnh cho các thiết bị điện tử thông minh.

Yêu cầu công việc:

• Lập các kế hoạch địa vị.
• Thiết kế ngắn mạch.
• Định vị, đồng bộ hóa mạch.
• Kiểm tra xác thực.
• Đánh giá, tối ưu hóa.
• Gia công, sản xuất.

3.4. Kỹ sư thử nghiệm vi mạch

Kỹ sư thử nghiệm vi mạch là những đảm bảo về chất lượng, tính chính xác và hiệu quả của các mạch tích hợp cùng hệ thống kỹ thuật số. Công việc của những người này là tham gia vào quy trình thiết kế từ giai đoạn đầu, sau đó phối hợp chặt chẽ với các nhóm khác nhau để đảm bảo sản phẩm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.

Yêu cầu công việc:

• Phân tích các yêu cầu.
• Phát triển testbench.
• Chạy, phân tích các kết quả kiểm tra.
• Xác nhận thời gian, độ chính xác.
• Tối ưu hóa testbench, quy trình.
• Đánh giá, báo cáo kết quả.
• Tương tác với các nhóm có liên quan.

3.5. Kỹ sư nghiên cứu và phát triển vi mạch

Kỹ sư nghiên cứu và phát triển vi mạch là những người tiến hành nghiên cứu các công nghệ mới, xu hướng thị trường để phát triển các sản phẩm vi mạch tiên tiến, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng.

Yêu cầu công việc:

• Nghiên cứu và phát triển các sản phẩm vi mạch.
• Thiết kế mạch theo yêu cầu.
• Mô phỏng và kiểm tra các vi mạch.
• Tối ưu hóa thiết kế sao cho hợp lý nhất.
• Hợp tác với những bộ phận khác có liên quan.

4. Trường đào tạo ngành thiết kế vi mạch tốt nhất

Trước tiềm năng phát triển của ngành thiết kế vi mạch, nhiều trường đại học tích cực đưa lĩnh vực này vào quá trình giảng dạy. Dưới đây là chi tiết các trường đào tạo ngành thiết kế vi mạch tốt nhất:

Nhìn chung, ngành thiết kế vi mạch đang khá hot tại Việt Nam. Đây cũng là lĩnh vực có nhiều triển vọng phát triển thị trường việc làm tại Việt Nam. Theo học lĩnh vực này, khi tốt nghiệp, bạn có thể ra trường trở thành nhiều kỹ sư thiết kế với mức lương hấp dẫn. Nếu có đam mê và muốn tìm kiếm việc làm thiết kế vi mạch, bạn có thể truy cập vào Job3s.com.vn để thử sức nhé.