[Basic Knowledge] Khái niệm cơ bản về vi mạch và phân loại

1. Vi mạch là gì?

Mạch tích hợp (Integrated circuit), viết tắt là IC, còn được gọi là vi mạch hoặc chip là những linh kiện điện tử có lõi làm bằng vật liệu bán dẫn. Vật liệu bán dẫn có rất nhiều loại nhưng phổ biến là Silicon (Si) và Germanium (Ge). Hiểu đơn giản, vi mạch là mạch điện tử rất nhỏ được đóng gói thành một linh kiện hoàn chỉnh. 

Hình 1. Vi mạch là mạch điện tử rất nhỏ được đóng gói thành một linh kiện hoàn chỉnh

Cấu tạo cơ bản của một vi mạch (chip) gồm có vỏ chip (cover), lõi (core) và chân (pin).

Hình 2. Cấu tạo cơ bản của vi mạch

Lõi (CORE hoặc DIE) vi mạch là mạch điện gồm các thành phần thụ động hoặc tích cực hoặc cả hai. Các thành phần thụ động gồm có điện trở, tụ điện, cuộn cảm. Các thành phần tích cực gồm có diodes, transistor, NMOS, PMOS,... Cụm từ "thiết kế vi mạch" được ngầm hiểu là thiết kế phần lõi vi mạch thông qua các công cụ phần mềm chuyên dụng. Việc chế tạo phần lõi và sản xuất ra chip thuộc về nhà máy chế tạo chip.

Chân chip (PIN hoặc LEAD) là vật liệu dẫn điện được kết nối đến lõi thông qua các dây dẫn điện, gọi là BOND WIRE. Các dây này thường làm bằng vàng.

Vỏ là thành phần bao bọc và cố định lõi, dây dẫn và các chân, được làm bằng vật liệu cách điện như nhựa, gốm, thủy tinh,...

Hình 3. Bên trong một vi mạch

Xem thêm các hình ảnh bên trong một số chip ở link: http://diephotos.blogspot.com/

2. Phân loại vi mạch

Vi mạch có thể được phân làm nhiều loại khác nhau dựa trên các đặc điểm về cấu trúc, chức năng hay mật độ tích hợp.

Một cách phân loại phổ biến dựa trên mật độ tích hợp là dựa vào số lượng transistor hoặc CMOS hoặc số cổng (gate) có trong vi mạch để chia thành các nhóm như sau:

• Vi mạch mật độ tích hợp thấp SSI (Small Scale Integration) là những vi mạch chứa khoảng từ vài đến vài chục transistor.
• Ví dụ như các chip 74151 (Multiplexer), 7404 (cổng đảo),  ...
• Vi mạch mật độ tích hợp trung bình MSI (Medium Scale Integration) là những vi mạch chứa khoảng vài trăm transistor
• Ví dụ như các chip 54157 (multiplexer) chứa khoảng 100 transistor
• Vi mạch mật độ tích hợp cao LSI (Large Scale Integration) là những vi mạch chứa khoảng vài nghìn transistor
• Ví dụ như chip Intel 4004 chưa khoảng 2300 transistor, Intel 8008 khoảng 3500 transistor
• Vi mạch mật độ tích hợp rất cao VLSI (Very Large Scale Integration) là những vi mạch chứa khoảng vài chục nghìn transistor trở lên
• Ví dụ như chip 8088 chưa khoảng 29000 transistor, Motorola 68000 chứa khoảng 68000 transistor, ARM 1 chứa khoảng 25000 transistor
• Vi mạch mật độ tích siêu cao ULSI (Ultra Large Scale Integration) là những vi mạch chứa khoảng vài triệu transistor.
• Ví dụ như chip Pentium I, II và III đời đầu khoảng vài triệu transistor, ...
• Vi mạch mật độ tích hợp cực cao GSI (Giant Scale Integration) là những vi mạch chứa khoảng vài trăm triệu transistor hoặc hơn.
• Ví dụ các dòng Dual-core của Intel, AND K8/K10, ... dùng cho máy tính cá nhân PC hoặc các dòng đa nhân dùng cho các điện thoại thông minh như A7 của Apple có số lượng transistor khoảng 1 tỷ với 2 nhân ARM64, ...

Hình 4. Phân loại vi mạch theo số lượng transistor và số cổng

Hình 5. Phân loại vi mạch theo số lượng cổng

Cách phân chia trên không có một ranh giới rõ ràng và chỉ mang tính tương đối. Hiện nay, các vi mạch chứa hàng trăm triệu và hàng tỷ transistor đã ra đời như các vi xử lý core  i5, core i7, chip SnapDragon 8 nhân của Qualcomm, các vi xử lý dùng cho các máy chủ.

Thông số về số lượng transistor và cổng trong một vi mạch cũng không phải lúc nào cũng được công bố rỗng rãi nên việc xác định vi mạch đó thuộc loại LSI, VLSI, ULSI, ... chỉ là mang tính phỏng đoán nên thuật ngữ VLSI được sử dụng phổ biến để gọi các loại vi mạch có mật độ tích hợp cao nói chung.

Một cách phân loại phổ biến thứ 2 là dựa trên loại tín hiệu mà vi mạch đó có thể xử lý là tín hiệu số (digital) hay tín hiệu tương tự (analog). Theo cách phân loại này, vi mạch được chia làm 3 nhóm là:

• Vi mạch số (Digital IC) xử lý các tín hiệu rời rạc dựa trên mức logic, 0 và 1, hoặc cạnh chuyển của tín hiệu, cạnh lên và cạnh xuống. Các vi mạch điển hình là các vi mạch cổng logic như AND, OR, đảo, các mạch đếm, MUX, ... Các thành phần chính của vi mạch này là các cổng logic, Flip-Flop, Latch, ...
• Vi mạch tương tự (Analog IC) xử lý các tín hiệu liên tục dựa trên thuộc tính tần số, điện áp, dòng điện, của tín hiệu ... Các thành phần chính là các transistor, điện trở, tụ điện, cuộn cảm, ... Các chip điển hình là mạch khuếch đại thuật toán OP-AMP, chip ổn áp,...
• Vi mạch tín hiệu hỗ hợp (Mixed-signal IC) là chip tích hợp cả thành phần xử lý tín hiệu số và tín hiệu tương tự ví dụ như chip vi điều khiển MCU có tích hợp các bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự/số ADC

Hình 6. Vi mạch số 74HC245 của NXP

 

Hình 7. Vi mạch tương tự OPAMP OPA2188 của TI

Hình 8 là một vi mạch tín hiệu hỗ hợp dùng trong thẻ RFID, một loại thẻ thông minh không tiếp xúc giao tiếp không dây. Trong chip này, thành phần số là DIGITAL CONTROL UNIT, thành phần xử lý tín hiệu tương tự gồm có RF INTERFACE, FIELD DETECTION và khối bộ nhớ EEPROM.

Hình 8. Sơ đồ khối vi mạch mixed-signal NTAG213F dùng cho thẻ RFID của NXP