Đềtài KC03.20 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệtự
động thiết kế đểchếtạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển”
nhằm mục đích ứng dụng và phát triển công nghệtạo chip thông minh bao
gồm lựa chọn các công nghệphù hợp, tiến hành nghiên cứu làm chủ, phát
triển các phương pháp khoa học và ứng dụng vào các sản phẩm đo và điều
khiển có sức cạnh tranh cao thay thếnhập ngọai. Ngoài ra đềtài còn nhằm
vào mục tiêu quảng bá, đào tạo và chuyển giao công nghệthiết kế đểtạo các
chip đo lường và điều khiển thông minh tại Việt nam.
Xuất phát từcác mục tiêu nêu trên đềtài đã tiến hành các nghiên cứu
tổng quan, thu thập thông tin và dữliệu từnhiều nguồn (internet, hội nghị, hội
thảo, các báo cáo thống kê .) đểlựa chọn được công nghệphù hợp. Từnhu
cầu thực tếcủa sản xuất và đời sống nước ta hiện nay đềtài lựa chọn các sản
phẩm có yêu cầu sốlượng lớn đểtriển khai các nghiên cứu phát triển các chip
mới đáp ứng các chỉtiêu kinh tếkỹthuật cho các nhu cầu đó. Đềtài đã tiến
hành các nghiên cứu tài liệu, mẫu mã nước ngoài kết hợp với cải tiến mởrộng
chức năng, tìm tòi sáng tạo đểphát triển được sản phẩm phù hợp với hoàn
cảnh Việt nam có chất lượng và giá cảcạnh tranh. Đềtài sửdụng các công cụ
và phần mềm thiết kếmạnh hỗtrợphát triển đểcó thểrút ngắn thời gian phát
triển thửnghiệm và tập trung được sức lực và trí tuệcho sáng tạo.
Phương pháp nghiên cứu bao gồm nghiên cứu nguyên lý hoạt động của
sản phẩm và các phương pháp xửlý. Thiết kếhệthống bao gồm thiết kếhệ
thống phần cứng, hệthống phần mềm, kết cấu cơkhí và quy trình chếtạo sản
phẩm mẫu. Trong bước này sửdụng các chương trình CAD đểthiết kế. Các
công nghệcao tạo chip mới nhưcông nghệtạo chip PSoC, công nghệFPGA,
mạng nhúng và lập trình thời gian thực đã được các cán bộnghiên cứu của đề
tài đi sâu tìm hiểu và làm chủ. Các sản phẩm mẫu được thửnghiệm hiệu
chỉnh trong phòng thí nghiệm và được mang đi thửnghiệm, đánh giá chất
lượng tại các Hội đồng khoa học , cơquan kiểm chuẩn Nhà nước. Các kết quả
nghiên cứu được thường xuyên thảo luận ởcác seminar và công bố ởcác hội
nghịkhoa học trong và ngoài nước. Một sốsản phẩm được áp dụng vào thực
tiễn qua các hợp đồng kinh tế.
Các kết quảchính đềtài đã đạt được bao gồm:
• Công bố9 công trình nghiên cứu tại các tạp chí và hội nghịquốc
gia
• Nghiên cứu thiết kếvà chếtạo các sản phẩm mới bao gồm:
- Chip mới cho hệthống điều khiển máy lạnh DKML-1 và RM-1
- Chip mới cho hệthống kiểm sóat xâm thực (Access Control)
dùng thẻRFID: PROX1 và PROX1.1
- Chip mới cho các module PC/104 có khảnăng tái cấu hình
- Bo điều khiển máy lạnh sửdụng chip DKML-1
- BộRemote controller sửdụng chip RM-1
5
- Hệthống kiểm sóat xâm thực AC-200 dùng thẻnhận dạng không
dây RFID
- Máy chấm công WT1000 dùng thẻnhận dạng không dây RFID
và đầu cấp phát thẻRFID
- Module thu thập dữliệu đa năng DAS PC/104 có khảnăng tái
cấu hình
- Module lọc α-βPC/104 có khảnăng tái cấu hình
- Thưviện chương trình mẫu vềthiết kếchip đo và điều khiển
thông minh sửdụng công nghệPSoC
- Đào tạo nhiều cán bộnghiên cứu tiếp nhận công nghệtạo chip
PSoC và nhiều sinh viên làm đồán tốt nghiệp.
Đềtài đã hoàn thành các sản phẩm theo đúng các yêu cầu của Hợp đồng
ký kết với Ban chủnhiệm chương trình Tự Động Hóa KC-03 và Bộ
Khoa học và Công nghệ. Các điểm nổi bật của đềtài có thểtóm tắt như
sau:
- Đềtài đã duy trì được truyền thống của Viện CNTT luôn đi tắt, đón
đầu và đưa công nghệmới trong lĩnh vực đo lường và điều khiển vào
Việt Nam: giai đoạn 1991-1995- Công nghệPLC; giai đoạn 1996-2000- Công nghệPC/104 và hiện nay 2001-2005- Công nghệtạo chip
PSoC. Một sốsản phẩm của đềtài đã tạo các dấu ấn như:
. Hệthống kiểm sóat xâm thực AC-200 dùng thẻRFID đã đọat
cúp vàng Techmart2005và giải thưởng CNTT 2005 quảcầu vàng.
Các sản phẩm dùng thẻRFID của đềtài AC-200 và WT1000 đã được
nhiều công ty trong nước xin nhận làm đại lý phân phối khi được chế
tạo hàng lọat thay cho một sốsản phẩm hiện vẫn phải nhập ngọai.
. Sản phẩm module thu thập dữliệu đa năng DAS PC/104 là
module thu thập dữliệu PC/104 đầu tiên trên thếgiới có khảnăng tái
cấu hình.
Đây là kết quảchứng tỏkhảnăng nghiên cứu và phát triển các
sản phẩm công nghệcao của các cán bộtham gia đềtài.
- Trong các sản phẩm của đềtài đều chứa đựng các ý tưởng và giải
pháp mới được kết hợp với công nghệcao tạo ra các sản phẩm có
hàm lượng chất xám giá trịgia tăng của mình.
- Trong quá trình triển khai, đềtài đã không ngừng quảng bá các giải
pháp và công nghệáp dụng của mình qua các seminar, hội nghị, tạp
chí tạo nên một địa chỉtin cậy cho các đồng nghiệp tiếp cận các thông
tin và công nghệmới.
- Đềtài đã ký được 3 hợp đồng trịgiá 220 triệu và có nhiều khảnăng
hợp tác đưa công nghệtạo chip thông minh PSoC vào các sản phẩm
mới khác của Việt nam.
105 trang |
Chia sẻ: oanhnt | Lượt xem: 1357 | Lượt tải: 2
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Báo cáo Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
1
BKH & CN
Viện CNTT
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội
BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI KC.03.20
“Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự
động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho
đo lường và điều khiển”
Chủ nhiệm đề tài: KS. Phan Minh Tân
5868
08/6/2006
Hà Nội, 12-2005
Bản quyền 2005 thuộc Viện Công nghệ thông tin
2
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội
BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI KC.03.20
“Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự
động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho
đo lường và điều khiển”
Chủ nhiệm đề tài: KS. Phan Minh Tân
Hà Nội, 12-2005
Bản quyền 2005 thuộc Viện Công nghệ thông tin
3
Danh sách những người thực hiện chính
A
1
Chủ nhiệm đề tài
KS. Phan Minh Tân
Viện Công nghệ Thông tin
B Cán bộ tham gia nghiên cứu
2 PGS. TSKH Phạm Thượng Cát Viện Công nghệ Thông tin
3 ThS. Trần Việt Phong Viện Công nghệ thông tin
4 ThS. Phạm Ngọc Minh Viện Công nghệ Thông tin
5 KS. Bùi Thị Thanh Quyên Viện Công nghệ Thông tin
6 KS. Phan Cao Hiệp Công ty Điện tử Bình Hoà
7 KS. Nguyễn Đức Thắng Viện Công nghệ Thông tin
8 TS. Nguyễn Ngọc Khoa Viện kỹ thuật Phòng không không quân
9
10
ThS. Vũ Sĩ Thắng
KS. Chu Ngọc Liêm
Viện Công nghệ Thông tin
Viện Công nghệ Thông tin
11 KS. Nguyễn Văn Hà Viện kỹ thuật Phòng không không quân
4
BÀI TÓM TẮT
Đề tài KC03.20 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự
động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển”
nhằm mục đích ứng dụng và phát triển công nghệ tạo chip thông minh bao
gồm lựa chọn các công nghệ phù hợp, tiến hành nghiên cứu làm chủ, phát
triển các phương pháp khoa học và ứng dụng vào các sản phẩm đo và điều
khiển có sức cạnh tranh cao thay thế nhập ngọai. Ngoài ra đề tài còn nhằm
vào mục tiêu quảng bá, đào tạo và chuyển giao công nghệ thiết kế để tạo các
chip đo lường và điều khiển thông minh tại Việt nam.
Xuất phát từ các mục tiêu nêu trên đề tài đã tiến hành các nghiên cứu
tổng quan, thu thập thông tin và dữ liệu từ nhiều nguồn (internet, hội nghị, hội
thảo, các báo cáo thống kê ...) để lựa chọn được công nghệ phù hợp. Từ nhu
cầu thực tế của sản xuất và đời sống nước ta hiện nay đề tài lựa chọn các sản
phẩm có yêu cầu số lượng lớn để triển khai các nghiên cứu phát triển các chip
mới đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cho các nhu cầu đó. Đề tài đã tiến
hành các nghiên cứu tài liệu, mẫu mã nước ngoài kết hợp với cải tiến mở rộng
chức năng, tìm tòi sáng tạo để phát triển được sản phẩm phù hợp với hoàn
cảnh Việt nam có chất lượng và giá cả cạnh tranh. Đề tài sử dụng các công cụ
và phần mềm thiết kế mạnh hỗ trợ phát triển để có thể rút ngắn thời gian phát
triển thử nghiệm và tập trung được sức lực và trí tuệ cho sáng tạo.
Phương pháp nghiên cứu bao gồm nghiên cứu nguyên lý hoạt động của
sản phẩm và các phương pháp xử lý. Thiết kế hệ thống bao gồm thiết kế hệ
thống phần cứng, hệ thống phần mềm, kết cấu cơ khí và quy trình chế tạo sản
phẩm mẫu. Trong bước này sử dụng các chương trình CAD để thiết kế. Các
công nghệ cao tạo chip mới như công nghệ tạo chip PSoC, công nghệ FPGA,
mạng nhúng và lập trình thời gian thực đã được các cán bộ nghiên cứu của đề
tài đi sâu tìm hiểu và làm chủ. Các sản phẩm mẫu được thử nghiệm hiệu
chỉnh trong phòng thí nghiệm và được mang đi thử nghiệm, đánh giá chất
lượng tại các Hội đồng khoa học , cơ quan kiểm chuẩn Nhà nước. Các kết quả
nghiên cứu được thường xuyên thảo luận ở các seminar và công bố ở các hội
nghị khoa học trong và ngoài nước. Một số sản phẩm được áp dụng vào thực
tiễn qua các hợp đồng kinh tế.
Các kết quả chính đề tài đã đạt được bao gồm:
• Công bố 9 công trình nghiên cứu tại các tạp chí và hội nghị quốc
gia
• Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các sản phẩm mới bao gồm:
- Chip mới cho hệ thống điều khiển máy lạnh DKML-1 và RM-1
- Chip mới cho hệ thống kiểm sóat xâm thực (Access Control)
dùng thẻ RFID: PROX1 và PROX1.1
- Chip mới cho các module PC/104 có khả năng tái cấu hình
- Bo điều khiển máy lạnh sử dụng chip DKML-1
- Bộ Remote controller sử dụng chip RM-1
5
- Hệ thống kiểm sóat xâm thực AC-200 dùng thẻ nhận dạng không
dây RFID
- Máy chấm công WT1000 dùng thẻ nhận dạng không dây RFID
và đầu cấp phát thẻ RFID
- Module thu thập dữ liệu đa năng DAS PC/104 có khả năng tái
cấu hình
- Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu hình
- Thư viện chương trình mẫu về thiết kế chip đo và điều khiển
thông minh sử dụng công nghệ PSoC
- Đào tạo nhiều cán bộ nghiên cứu tiếp nhận công nghệ tạo chip
PSoC và nhiều sinh viên làm đồ án tốt nghiệp.
Đề tài đã hoàn thành các sản phẩm theo đúng các yêu cầu của Hợp đồng
ký kết với Ban chủ nhiệm chương trình Tự Động Hóa KC-03 và Bộ
Khoa học và Công nghệ. Các điểm nổi bật của đề tài có thể tóm tắt như
sau:
- Đề tài đã duy trì được truyền thống của Viện CNTT luôn đi tắt, đón
đầu và đưa công nghệ mới trong lĩnh vực đo lường và điều khiển vào
Việt Nam: giai đoạn 1991-1995- Công nghệ PLC; giai đoạn 1996-
2000- Công nghệ PC/104 và hiện nay 2001-2005- Công nghệ tạo chip
PSoC. Một số sản phẩm của đề tài đã tạo các dấu ấn như:
. Hệ thống kiểm sóat xâm thực AC-200 dùng thẻ RFID đã đọat
cúp vàng Techmart2005 và giải thưởng CNTT 2005 quả cầu vàng.
Các sản phẩm dùng thẻ RFID của đề tài AC-200 và WT1000 đã được
nhiều công ty trong nước xin nhận làm đại lý phân phối khi được chế
tạo hàng lọat thay cho một số sản phẩm hiện vẫn phải nhập ngọai.
. Sản phẩm module thu thập dữ liệu đa năng DAS PC/104 là
module thu thập dữ liệu PC/104 đầu tiên trên thế giới có khả năng tái
cấu hình.
Đây là kết quả chứng tỏ khả năng nghiên cứu và phát triển các
sản phẩm công nghệ cao của các cán bộ tham gia đề tài.
- Trong các sản phẩm của đề tài đều chứa đựng các ý tưởng và giải
pháp mới được kết hợp với công nghệ cao tạo ra các sản phẩm có
hàm lượng chất xám giá trị gia tăng của mình.
- Trong quá trình triển khai, đề tài đã không ngừng quảng bá các giải
pháp và công nghệ áp dụng của mình qua các seminar, hội nghị, tạp
chí tạo nên một địa chỉ tin cậy cho các đồng nghiệp tiếp cận các thông
tin và công nghệ mới.
- Đề tài đã ký được 3 hợp đồng trị giá 220 triệu và có nhiều khả năng
hợp tác đưa công nghệ tạo chip thông minh PSoC vào các sản phẩm
mới khác của Việt nam.
6
MỤC LỤC
- Trang nhan đề 1
- Danh sách các cán bộ tham gia đề tài 3
- Bài tóm tắt 4
- Mục lục
PHẦN CHÍNH BÁO CÁO
6
8
1. Lời mở đầu 8
2. Nội dung chính của báo cáo 12
2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước 12
2.2. Lựa chọn đối tượng nghiên cứu 17
2.3. Những nội dung đã thực hiện 19
2.3.1. Nghiên cứu lý thuyết 19
2.3.2. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các sản phẩm mới 20
2.3.2.1. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển
máy lạnh
20
a. Chip DKML-1 20
b. Bo điều khiển máy lạnh 2 cục 12000 BTU và 18000
BTU
22
c. Phần mềm 24
d. Thiết kế chế tạo bộ điều khiển xa hồng ngoại 36
2.3.2.2. Hệ thống kiểm sóat xâm thực (Access Control) sử
dụng thẻ nhận dạng không dây RFID
42
a. Chip PROX-1 43
b. Bộ điều khiển AC-200-C dùng thẻ RFID 45
c. Chương trình Quản lý mã thẻ trên PC AC200_SW
d. Hệ thống chấm công sử dụng thẻ RFID
e. Hệ thống cấp phát thẻ RFID
51
58
59
2.3.2.3. Module thu thập dữ liệu đa năng PC/104 có khả
năng tái cấu hình
60
7
a. Cơ sở lý thuyết và nguyên lý thiết kế, chế tạo 61
b. Các cấu hình có thể lựa chọn 64
2.3.2.4. Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu hình 71
a. Thiết kế Module lọc α-β PC/104 có khả năng tái cấu
hình
72
b. Các cấu hình có thể lựa chọn 75
2.3.3. Thư viện chương trình mẫu về thiết kế chip đo và điều
khiển thông minh sử dụng công nghệ PSoC
82
2.4. Đánh giá kết quả thu được 94
3. Kết luận và kiến nghị 95
4. Lời cảm ơn 96
8
PHẦN CHÍNH BÁO CÁO
1. LỜI MỞ ĐẦU
Đề tài KC03.20 “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ tự
động thiết kế để chế tạo các chip thông minh cho đo lường và điều khiển”
thuộc chương trình cấp Nhà nước “Nghiên cứu khoa học và phát triển công
nghệ Tự động hóa ” KC-03 do KS. Phan Minh Tân và Viện Công nghệ thông
tin thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam làm cơ quan chủ trì Đề tài
được thực hiện trong vòng 24 tháng, từ tháng 1/2004 đến tháng 12/2005. Mục
tiêu của đề tài nhằm ứng dụng và phát triển công nghệ chế tạo chip thông
minh cho lĩnh vực đo lường và điều khiển ở Việt Nam bao gồm lựa chọn các
công nghệ phù hợp, tiến hành nghiên cứu làm chủ, phát triển các phương
pháp khoa học và ứng dụng công nghệ tạo chip thông minh vào các sản phẩm
đo và điều khiển có sức cạnh tranh cao thay thế nhập ngọai. Ngoài ra đề tài
còn nhằm vào mục tiêu quảng bá, đào tạo và chuyển giao công nghệ thiết kế
để tạo các chip đo lường và điều khiển thông minh tại Việt nam.
Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm:
1. Nghiên cứu làm chủ công nghệ PSoC (Programmable System on chip) và
các công cụ phần cứng và phần mềm cho phát triển chip thông minh trên
cơ sở các chip PSoC trắng bao gồm:
• Hệ chương trình tự động thiết kế chip PSoC Designer 4.2
• Công cụ mô phỏng trên mạch ICE (In Circuit Emulation)
• Các công cụ tìm lỗi (Debugger)
• Ngôn ngữ lập trình Assembler và C của PSoC
• Các module ứng dụng (user module) và các IP (Intellectual Properties)
cho thiết kế các chip đo và điều khiển.
2. Thiết kế và chế tạo:
- Chip điều khiển máy lạnh
- Bo điều khiển máy lạnh sử dụng chip thiết kế
- Chip cho bộ điều khiển xa hồng ngoại máy lạnh
- Bộ điều khiển xa hồng ngoại cho máy lạnh
Và sử dụng các sản phẩm trên cho lắp ráp máy lạnh 9-12000BTU,
18000BTU.
3. Nghiên cứu thiết kế chip cho đầu đọc và nhận dạng thẻ tiếp cận RFID 125
KHz và phát triển hệ thống tự động mở cửa và kiểm soát vào ra cơ quan
dùng thẻ tiếp cận gồm:
- 2 đầu đọc thẻ
- 1 bộ điều khiển cổng và phối ghép PC
- 1 chương trình kiểm soát và quản lý nhân sự ra vào cổng chạy trên PC
4. Xây dựng thư viện module chương trình mẫu cho thiết kế các chip phục vụ
cho đo lường và điều khiển theo công nghệ PSoC.
5. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo card thu thập dữ liệu PC/104 có khả năng tái
9
cấu hình (Reconfigurable PC/104 Data Acquisition Card) với các đặc tính
sau:
• Format theo chuẩn PC/104
• Có khả năng tự chọn các ngoại vi ADC, DAC, Di, Do, Timer và truyền
dữ liệu
• Có khả năng tái cấu hình (Reconfigurable)
• Kết hợp công nghệ FPGA với công nghệ PSoC
Danh mục các sản phẩm khoa học công nghệ cần đạt của đề tài KC.03.20
TT TÊN SẢN PHẨM SỐ
LƯỢN
G
CHỈ TIÊU KINH TẾ - KỸ
THUẬT
GHI
CHÚ
1. Các công trình, bài
báo
6 Đưa ra được các phương pháp,
thuật toán xử lý, nguyên lý có
tính cải tiến, sáng tạo về mặt
học thuật. Các công trình được
nhận đăng tại các tạp chí, hội
nghị khoa học
2. Thư viện chương
trình mẫu cho thiết
kế các chip thông
minh theo công nghệ
PsoC
1 Bộ chương trình thư viện với
tài liệu hướng dẫn sử dụng
3. Chip DKML-1
20 - CPU 24 MHz, 8 bits, 16k
FLASH
- ADC
- FLASH
- DAC PWM
- Phối ghép IrDA
- Digital I/O
- Bộ lọc tần số thấp
- Chương trình điều khiển máy
lạnh và hội thoại với remote
ở các chế độ
4. Chip Remote RM-1
20 - CPU 24Mhz, 8K FLASH
- Bộ phối ghép LCD
- Bộ phối ghép IrDA
- Chương trình điều khiển cho
máy lạnh tương thích với chip
DKML-1
- Bộ phối ghép phím ấn
- Chế độ Wake-up
10
5. Bo điều khiển máy
lạnh sử dụng chip
DKML-1
2 Thay thế bo điều khiển máy
lạnh VBH-12L/VBH-12N hiện
đang phải nhập ngoại trong dây
chuyền sản xuất của Công ty
Điện tử Bình hoà
6. Bộ điều khiển từ xa
cho máy lạnh sử
dụng chip RM-1
2 Thay thế bộ điều khiển xa cho
máy lạnh VBH-12L/VBH-12N
đang phải nhập ngoại trong dây
chuyền sản xuất của Công ty
Điện tử Bình hoà
7. Chip đọc thẻ PROX-
1 (Radio Frequency)
đọc các thẻ không
tiếp xúc
20 - Tần số mang vô tuyến
125kHz
- Biến điệu FSK
- Chuẩn ISO-PROX
- CPU
- FLASH
Mạch phối ghép nối tiếp UART
8. Hệ thống kiểm soát
xâm thực tự động
mở cổng sử dụng
chip đọc thẻ PROX-
1
1 - Đầu đọc thẻ Proximity dùng
chip PROX - 1
- Bộ điều khiển đóng mở cửa
tự động và kết nối PC
- Chương trình quản lý kiểm
soát lưu trữ và báo cáo chạy
trên PC/Windows theo ngôn
ngữ Việt Nam
9. Module DAS -
PC/104 Có khả năng
tái cấu hình
1 - Công nghệ FPGA và PSoC
- Cho phép lựa chọn
ADC 8-14 BITS
DAC 8-10 BITS
TIMER 8-24 BITS
COUNTER 8-24 BITS
DIO 8-16 KÊNH
Truyền thông UART, 12C,
SPI, RS232
- Có khả năng tái cấu hình
11
Kinh phí thực hiện đề tài
Tổng kinh phí ngân sách Nhà nước cấp cho đề tài là 1.600 triệu đồng
Trong đó:
1. Thuê khoán chuyên môn: 600 triệu đồng
2. Nguyên vật liệu, năng lượng: 389 triệu đồng
3. Thiết bị máy móc: 361 triệu đồng
4. Xây dựng, sửa chữa nhỏ: 15 triệu đồng
5. Chi khác: 235 triệu đồng
12
2. NỘI DUNG CHÍNH CỦA BÁO CÁO
2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước
Ngoài nước:
Công nghệ tự động thiết kế để chế tạo các chip đã có bề dày hơn 15 năm
phát triển và hiện đang quy tụ vào một số công nghệ nổi trội là ASIC
(Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field Programmable Gate
Array) và CSoC (Configurable System on Chip). Các công nghệ này liên quan
mật thiết với nhau và phát triển có tính thừa kế các ưu điểm, khắc phục nhược
điểm của nhau. Sau đây là tóm tắt các tính chất nổi trội và hạn chế của từng
công nghệ.
I. Về công nghệ ASIC
Các chip được tạo ra từ công nghệ ASIC có thể có hàng triệu bóng bán dẫn
và chi phí cho thiết kế thử nghiệm chip mới rất đắt. Tuy nhiên khi sản xuất loạt
lớn thì giá thành mỗi chip thành phẩm có thể xuống thấp tới một vài đô la.
Trong một số ứng dụng số lượng lớn (như trò chơi điện tử) ASIC có thể là giải
pháp hiệu quả, tuy nhiên hiện tại công nghệ ASIC có những hạn chế sau:
- Phương pháp thiết kế mạch ASIC hiện nay dựa chủ yếu vào các ngôn
ngữ HDL (Hardware Description Languages) là các ngôn ngữ mô tả các
chức năng phần cứng của chip ở mức trừu tượng cao. Tiếp đến cần một
công cụ phần mềm dịch thiết kế định dạng HDL sang các phương trình
logic (Borlean logic equations) và ánh xạ các phương trình logic này
thành tổ hợp các cổng logic và bộ nhớ (Gate-level representation). Các
ngôn ngữ HDL là ngôn ngữ tốt cho mô tả chức năng phần cứng, tuy
nhiên chúng lại không hiệu quả cho mô tả các thuật toán. Do vậy người
thiết kế rất khó khăn trong việc đưa các thuật xử lý phức tạp, know-how
vào chip ASIC. Một khi chip ASIC đã được tạo dựng, các thuật xử lý đã
được cứng hoá thì việc thay đổi sửa chữa nhỏ cũng rất tốn kém thời gian
và chi phí. Thời gian cho hoàn thiện thiết kế một chip ASIC thường rất
lâu và nhiều khi không theo kịp với sự đòi hỏi nâng cấp chức năng sử
dụng của sản phẩm. Mặt khác do mỗi chức năng, thuật toán xử lý đều
phải được cứng hoá ở các chip ASIC dẫn đến đòi hỏi tiêu tốn số lượng
lớn transitor và năng lượng trong khi thực tế thông thường chúng chỉ cần
hoạt động trong một số thời điểm nhất định. Điều này dẫn đến sự lãng phí
các nguồn tài nguyên trong chip ASIC.
II. Về công nghệ FPGA (Field Programmable Gate Array)
FPGA là các chip thuộc họ lập trình logic để tạo ra các chip số (digital IC).
Với FPGA ta có thể tạo ra các chips có khả năng xử lý các chức năng logic tuỳ
ý. Hiện tại trong họ lập trình logic có các loại chính sau:
- SPLD (Simple Programmable Logic Devices)
- CPLD (Complex Programmable logic Devices)
- FPGA (Field Programmable Gate Array)
13
SPLD là các chip lập trình logic loại nhỏ có khả năng thay thế vài IC loại
TTL 74xx. Thông thường có 4 đến 22 macro cells (mỗi macrocell thông thường
gồm một vài chức năng tổ hợp logic với một bộ nhớ flip-flop). Một macrocell
có thể có nhiều input nhưng với chức năng logic hạn chế. Các loại SPLD quen
thuộc là PAL (Programmable Array Logic của hãng Vantis), GAL (Generic
Array Logic của hãng Lattice), PLA (Programmable Logic Array) và PLD
(Programmable logic Device).
CPLD có cấu trúc như SPLD nhưng có khả năng tích hợp lớn hơn.
Thông thường CPLD bao gồm từ 2 đến 64 mạch SPLD, có từ hàng chục đến
hàng trăm macrocells. Thông thường một nhóm từ 4 đến 16 macrocells được
kết nối tạo thành các khối chức năng trong CPLD. Các khối chức năng này
được kết nối với nhau qua một ma trận kết nối có khả năng lập trình. Các CPLD
quen thuộc bao gồm EPLD (Erable Programmable Logic Devices), EEPLD
(Electrically Erable Programmable Logic Device), MAX (Multiple Array
Matrix của Altera)
FPGA là các chips có khả năng tích hợp lớn nhất so với SPLD và CPLD.
Một chip FPGA gồm các khối logic (Logic blocks) được bao bọc bởi các khối
vào ra có khả năng lập trình (Programmable I/O blocks) và các đường kết nối
có khả năng lập trình (Programmable interconnect). Một chip FPGA có thể có
từ 64 đến hàng chục ngàn khối logic và số lượng bộ nhớ flip-flops còn lớn hơn.
Các FPGA được chia ra làm hai nhóm chính là loại hạt lớn (coarse-grained) và
loại hạt nhỏ (fine-grained). Loại FPGA hạt lớn gồm các khối logic lớn, kích cỡ
khối logic lớn này thường có nhiều bảng look-up và flip-flops. Loại FPGA hạt
nhỏ thường gồm một lượng lớn khối logic nhỏ. Kích cỡ của khối logic nhỏ
thường một vài cổng logic 2 đầu vào và một flip-flop.
Với các cấu trúc nêu trên các FPGA không có khả năng xử lý các tín hiệu
tương tự hoặc tín hiệu RF (Radio Frequency).
Phần lớn các FPGA được lập trình và đặt cấu hình trên RAM tĩnh. Cấu
hình này xác định chức năng hoạt động của các khối logic, khối vào ra và
đường kết nối giữa chúng tạo nên chip xử lý số chuyên dụng. Do vậy khi mất
nguồn nuôi các RAM cấu hình mất thông tin và khi có điện lại phải có chu trình
nạp lại cấu hình cho các RAM này. Để khắc phục nhược điểm này một số
FPGA sử dụng FLASH để thay thế RAM tĩnh, một số FPGA khác lại dùng
công nghệ antifuse như dùng PROM nạp một lần để chứa cấu hình.
Các chip FPGA thường dùng nhất là của hãng Xilinx (XC3000,
XC4000xx, Spartan, Virtex) và của hãng Altera (FLEX, APEX). Các hãng khác
như Lattice, Actel, Quick Logic cũng cung cấp các FPGA nhưng là các loại nhỏ
và chiếm thị phần không đáng kể.
Một hạn chế của FPGA là sử dụng các công cụ và các phương pháp thiết
kế như của công nghệ ASIC bao gồm các ngôn ngữ HDL là loại không thích
hợp cho lập trình xử lý thuật toán. Do vậy khi phải thực hiện các thuật toán xử
lý phức tạp người lập trình phải vất vả chuyển đổi sang ngôn ngữ HDL và cứng
hoá thuật toán vào các khối logic.
14
Các chip được tạo ra theo công nghệ FPGA thường không sử dụng một
cách có hiệu quả các tài nguyên sẵn có của chip trắng FPGA. Mặt khác FPGA
còn tiềm ẩn nhân tố nhiễu loạn (chaotic element) trong quá trình kết nối
(routing). Thống kê cho thấy một nửa số cổng logic trong chip trắng FPGA
thông thường không được sử dụng đến do hạn chế của khả năng kết nối hoặc
thuật toán kết nối.
Các chương trình thiết kế tự động cho các chip FPGA thường rất đắt tuỳ
thuộc vào chức năng và số lượng thư viện chương trình mẫu IP. Giá có thể từ
vài ngàn US$ đến hàng triệu US$. Các hãng nổi tiếng cung cấp các phần mềm
thiết kế cho công nghệ FPGA là Mentor Graphics, Cadence và Synopsis.
Tuy nhiên các hãng cung cấp chip trắng FPGA hàng đầu trên thế giới là
Xilinx và Altera có chiến lược cung cấp phần mềm thiết kế miễn phí cho các
họ FPGA loại vừa và nhỏ.
Xilinx cung cấp phần mềm miễn phí ISE WebPack là một Version cơ
bản của chương trình thiết kế ISE5.
Altera cung cấp phần mềm thiết kế miễn phí Quartus II Web Edition là
phiên bản tối thiểu của chương trình thiết kế QuartusII.
Công nghệ FPGA là một công nghệ mạnh cho thiết kế các chip có chức
năng xử lý logic cho các mạch số và truyền thông số. Các chip FPGA trắng
thường có giá thành đắt từ 30-70US$/chip. Với đơn đặt hàng lớn >10.000 chip
thì giá thành có rẻ hơn nhưng vẫn không dưới