Nếu bạn đang theo học ngành Kỹ thuật Điện tử với định hướng “Thiết kế vi mạch bán dẫn” hay “Hệ thống nhúng” bạn sẽ sớm nhận ra rằng chương trình đào tạo không thể thiếu các môn học cơ sở ngành. Nhưng không phải môn nào cũng có trọng lượng như nhau, có những môn sẽ là chìa khóa mở ra cánh cửa đi vào chuyên ngành nếu bạn bỏ qua nó thì tôi tin rằng bạn sẽ mất rất nhiều thời gian để tìm lại người bạn mà bạn lỡ mất đó.
Cấu Kiện Điện Tử (Linh kiện điện tử – tại KMA)
Đây là môn học đầu tiên bạn cần nắm thật kỹ và cũng là môn nhiều sinh viên hay xem nhẹ nhất vì tưởng rằng nó chỉ là lý thuyết vật lý thuần túy. Thực tế ngược lại. Cấu kiện điện tử dạy bạn hiểu transistor, diode, MOSFET hoạt động như thế nào từ bên trong, từ cấp độ vật liệu bán dẫn, vùng nghèo, dòng điện thiểu số cho đến đặc tuyến I-V. Đây chính xác là kiến thức mà một kỹ sư thiết kế vi mạch cần để hiểu tại sao một cell trong chip hoạt động đúng hay sai, tại sao transistor bị rò rỉ dòng ở kích thước nanomet, hay tại sao vật liệu mới như GaN hoạt động tốt hơn Silicon trong điều kiện nhiệt độ cao. Nếu không hiểu môn này thực sự bạn sẽ chỉ có thể dùng chip mà không thể tạo ra chip.
Điện Tử Tương Tự và Điện Tử Số
Mạch khuếch đại, bộ lọc, mạch dao động, op-amp đây chính là những khái niệm cơ bản nhất của điện tử tương tự. Và dù thế giới ngày càng số hóa, tín hiệu thực tế ngoài đời vẫn là tín hiệu tương tự: âm thanh, nhiệt độ, điện áp cảm biến, sóng RF. Trong thiết kế vi mạch, mảng Analog IC Design là một trong những lĩnh vực khan hiếm nhân lực nhất và trả lương cao nhất. Lý do đơn giản: thiết kế mạch tương tự khó hơn mạch số rất nhiều, đòi hỏi trực giác kỹ thuật được tích lũy qua nhiều năm. Nền tảng đó bắt đầu từ những bài mạch khuếch đại đơn giản trong năm hai, năm ba đại học. Nếu bạn muốn sau này thiết kế ADC, DAC, bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ hay mạch quản lý nguồn trên chip Điện tử tương tự là cửa vào bắt buộc.
Khác với Điện tử tương tự, Điện tử số từ các cổng logic AND, OR, NOT cho đến flip-flop, máy trạng thái hữu hạn (FSM), bộ đếm và thanh ghi dịch là nền tảng của toàn bộ mảng thiết kế logic số và RTL design sau này. Khi bạn học thiết kế vi mạch ở cấp độ cao hơn, bạn sẽ viết RTL bằng Verilog hay VHDL để mô tả hành vi của mạch số. Nhưng nếu không hiểu phần cứng bên dưới hoạt động như thế nào flip-flop được clock như thế nào, setup time và hold time là gì, hazard xảy ra khi nào bạn sẽ viết code mà không biết mình đang mô tả cái gì. Điện tử số là cầu nối giữa phần cứng vật lý và ngôn ngữ mô tả phần cứng, bỏ qua môn này là bỏ qua cây cầu đó.
Tín Hiệu và Hệ Thống
Biến đổi Fourier, biến đổi Laplace, hàm truyền, hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian đây là những khái niệm mà sinh viên hay sợ nhất, nhưng lại xuất hiện ở khắp nơi trong kỹ thuật điện tử. Trong thiết kế vi mạch, Tín hiệu và Hệ thống là ngôn ngữ để phân tích mạch trong miền tần số hiểu tại sao một mạch lọc hoạt động như vậy, tại sao một bộ khuếch đại mất ổn định ở tần số cao? hay tại sao một đường truyền tín hiệu bị méo dạng?. Nếu bạn hướng đến thiết kế RF IC, mixed-signal hay các hệ thống truyền thông tích hợp trên chip, môn này là bắt buộc phải thành thạo.
Kỹ Thuật Vi Xử Lý và Hệ Thống Nhúng
Kỹ thuật vi xử lý dạy bạn cách một bộ xử lý thực sự hoạt động từ bên trong: kiến trúc ALU, tập lệnh, pipeline, bộ nhớ cache và giao tiếp ngoại vi. Đây là kiến thức nền cho bất kỳ ai muốn thiết kế SoC (System-on-Chip) loại chip tích hợp toàn bộ hệ thống từ CPU, GPU, bộ nhớ đến các khối giao tiếp trên một die duy nhất. Hệ thống nhúng bổ sung thêm góc nhìn về phần mềm chạy sát phần cứng — firmware, driver, hệ điều hành thời gian thực. Kỹ sư thiết kế vi mạch giỏi không chỉ biết phần cứng; họ còn hiểu phần mềm sẽ tương tác với chip của mình như thế nào.
Hệ Thống Viễn Thông
Các bạn hãy nhớ và hiểu rằng Chip không tồn tại độc lập nó luôn là một phần của hệ thống lớn hơn. Hệ thống viễn thông dạy bạn cách dữ liệu được mã hóa, điều chế, truyền đi và cách giải mã, từ đó giúp bạn hiểu chip cần làm gì trong hệ thống đó. Một thông tin nhỏ: Với Việt Nam đang đầu tư mạnh vào chip 5G và các ứng dụng IoT, kiến thức viễn thông giúp kỹ sư vi mạch hiểu được yêu cầu từ phía hệ thống và thiết kế chip đáp ứng đúng đặc tả. Đây cũng là nền tảng nếu bạn muốn sau này làm việc trong mảng baseband IC hay modem chip.
Xử Lý Tín Hiệu Số (DSP)
DSP là ứng dụng thực tế của Tín hiệu và Hệ thống trong miền số. Bộ lọc FIR, IIR, biến đổi FFT, thuật toán nén tín hiệu tất cả đều được thực thi trên phần cứng số, tức là trên chip. Nhiều loại chip chuyên dụng tiêu biểu như DSP processor, AI accelerator, image signal processor… được thiết kế chủ yếu để thực hiện các phép toán tín hiệu số một cách hiệu quả nhất. Hiểu DSP từ góc độ thuật toán giúp bạn hiểu tại sao kiến trúc phần cứng lại được thiết kế theo một cách nhất định.
Một kỹ sư thiết kế vi mạch giỏi không cần xuất sắc tất cả các môn này ngay từ đầu. Nhưng họ cần đủ vững ở tất cả để không bị mù một góc nào khi làm việc thực tế. Vì vậy đây là những môn học mà Giảng viên khoa Điện tử Vi mạch Học viện Kỹ thuật mật mã muốn và yêu cầu sinh viên nắm thật chắc trước khi bước vào chuyên ngành. Kỹ thuật là con đường rộng mở nhưng không hề đơn giản, hãy thực sự chuyên tâm nghiên cứu và học tập nghiêm túc.
