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 TÓM TẮT
KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG 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. Ngô Đức Hoàng

8956
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 công 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
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 công 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 công nghiệp này có vai trò
trực tiếp dẫn đến sự bùng nổ về kinh tế trong những nướ
c 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 dòng 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 thi
ết kế vi mạch của thế giới.
Các công ty trong nước chủ yếu tập trung vào việc lắp ráp hoặc ứng dụng các
2

3

Trước làn sóng này chúng ta phải có giải pháp toàn 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 tôi tin rằng các công 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 bứ
c
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 32-
bit). 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 tạ
o Công nghệ
“Nghiên cứu thiết kế lõi IP và chế tạo thử nghiệm chip 8-bit RISC SigmaK3”

- Vi xử lý 16/32 bit VN1632-01.
5

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 tôi 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:
Toàn 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 hoàn toàn do Việt Nam làm ch
ủ 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

tập đoàn, công 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
7

cũng đã tạo việc làm cho nguồn nhân lực công nghệ cao của Việt Nam.
Đội ngũ này sẽ là lực lượng nòng 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 công nghệ thông tin trên toàn 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 công ty vi mạch nước ngoài 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, T
ổng 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, công nghiệp vi mạch Việt Nam sẽ
thực hiện được toàn bộ các công đoạn từ đầu đến cuối để sản xuất ra vi
mạch thành phẩm để cung cấp cho thị trường trong và ngoài nước, hoàn
toàn làm chủ công nghệ, không bị phụ thuộc vào các công ty nước ngoài.

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
10

được công nghệ thiết kế. Bên cạnh việc bỏ tiền để được cấp quyền sử
dụng này, hãng ARM còn 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 vòng 5


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 n
ăng 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
13

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 nă
ng của toàn bộ chip (chip level) ở mức RTL.
Bước 5: Circuit Design

p 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.
15

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 soát các
ràng buộc và các mục tiêu về timing sử dụng để tổng hợp cây clock. Phân tích
timing và các thông 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 chỉ
nh 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 “Thông 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 l
ại 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

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.
17

Các công ty và những cá nhân nói trên hỗ trợ trên tinh thần giúp đỡ đại học
nói riêng, không 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
lượng
Ghi chú
01
Lõi soft IP cho vi xử lý 8 bit RISC VN8-01
dùng cho FPGA
01
Đạt được các tiêu chí
kỹ thuật đã đăng ký
trong thuyết minh
02
Lõi soft IP cho vi xử lý 8 bit RISC VN8-01
dùng cho ASIC

0,13um cao hơn công
nghệ đã đăng ký trong
18

thuyết minh
07
Chip vi xử lý VN1632-01
20
Đạt được các tiêu chí
kỹ thuật cao hơn công
nghệ đã đăng ký trong
thuyết minh.
08
Chip vi xử lý VN8-01
20
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
Vi xử lý
AT89C52
(ATMEL)
PIC16C67
(MicroChip)
VN8-01
(ICDREC)
Kiến trúc

CCP
INTERRUPT
19 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)
Kiến trúc
RISC Harvard, pipeline 5
tầng
RISC Harvard, pipeline 5 tầng
Cấu trúc bus
Bus chương trình và bus bộ
nhớ tách rời
Bus chương trình và bus bộ nhớ
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
8Kbytes D-Cache
4Kbytes I-Cache
1Kbytes D-Cache

Package
176 Pin 160 pin