Đúng, nhưng cần phân biệt “công nghệ chế tạo bán dẫn” với “độ phức tạp của con chip”.
Nói ngắn gọn:
CCD/CMOS image sensor, IC nguồn, photodiode, MOSFET, IGBT, AVR, PIC, STM32 và CPU máy tính đều dựa trên nền tảng công nghệ chế tạo bán dẫn silicon, nhưng chúng không được sản xuất theo cùng một quy trình công nghệ.
Và đây là một chủ đề rất hay để hiểu bản chất của ngành bán dẫn.
1. Tất cả đều bắt đầu từ một miếng silicon
Có thể hình dung:
Từ silicon tinh khiết, nhà sản xuất tạo ra wafer:
Silicon
↓
Wafer
↓
Tạo lớp vật liệu
↓
Quang khắc
↓
Doping
↓
Ăn mòn
↓
Tạo transistor
↓
Tạo dây kim loại
↓
Đóng gói
↓
IC / sensor / transistorNền tảng chung này được gọi rộng rãi là semiconductor fabrication.
Nhưng sau đó con đường tách ra rất nhiều hướng.
2. Có thể chia những linh kiện bạn nói thành các nhóm
| Loại | Ví dụ | Mục tiêu chính |
|---|---|---|
| Diode/photodiode | Photodiode, IR receiver | Cảm nhận ánh sáng |
| Power semiconductor | MOSFET, IGBT | Đóng cắt công suất |
| IC nguồn | Buck, Boost, LDO | Điều khiển nguồn |
| MCU | AVR, PIC, STM32 | Điều khiển |
| CPU | Intel/AMD/ARM CPU | Tính toán cực mạnh |
| Image sensor | CCD, CMOS sensor | Thu nhận hình ảnh |
| Memory | DRAM, NAND, SRAM | Lưu trữ dữ liệu |
Chúng đều là bán dẫn nhưng cấu trúc bên trong và quy trình chế tạo được tối ưu cho những mục đích khác nhau.
3. MOSFET và CPU có “cùng công nghệ” không?
Có và không.
Đây là câu trả lời chính xác nhất.
Một MOSFET công suất và transistor trong CPU đều có thể bắt nguồn từ transistor MOS.
Nhưng:
MOSFET công suất
┌──────────┐
│ GATE │
├──────────┤
│ │
│ MOSFET │
│ │
├──────────┤
│ │
└──────────┘
Mục tiêu:
Dòng lớn
Điện áp cao
Tản nhiệtTrong CPU:
transistor
↓
┌─────────────┐
│ CMOS │
│ │
│ transistor │
└─────────────┘
Mục tiêu:
Tốc độ rất cao
Mật độ transistor cực lớn
Điện năng thấpCho nên nguyên lý transistor có quan hệ rất gần, nhưng quy trình công nghệ không giống hệt nhau.
4. Ví dụ cực kỳ rõ: IGBT
IGBT được thiết kế để xử lý:
- điện áp cao
- dòng lớn
- công suất lớn
Ví dụ trong:
Inverter
Motor drive
Điều hòa
Xe điện
Máy hàn
UPS
...Người ta quan tâm:
Voltage rating
Current rating
Conduction loss
Switching loss
Thermal performancechứ không phải:
“Làm sao nhét 20 tỷ transistor vào một con chip?”
5. CPU thì hoàn toàn khác
CPU hiện đại cần hàng tỷ transistor.
Ví dụ khái niệm:
CPU
┌──────────────────────────────┐
│ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ │
│ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ │
│ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ │
│ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ ▣ │
│ ... │
└──────────────────────────────┘Mỗi ô nhỏ có thể chứa rất nhiều transistor.
Mục tiêu là:
rất nhiều transistor + tốc độ rất cao + tiêu thụ điện hợp lý.
Do đó CPU cần những công nghệ chế tạo cực kỳ tiên tiến.
6. STM32 nằm ở giữa hai thế giới
STM32 là MCU.
Ví dụ STM32F103C8T6 mà bạn đang sử dụng:
STM32F103
┌───────────────────────────────┐
│ Cortex-M3 │
│ │
│ Flash │
│ SRAM │
│ GPIO │
│ Timer │
│ ADC │
│ USART │
│ SPI │
│ I2C │
│ USB │
│ │
│ hàng trăm nghìn transistor...│
└───────────────────────────────┘Nó phức tạp hơn rất nhiều so với:
1 transistor
1 diode
1 MOSFETnhưng thường đơn giản hơn rất nhiều so với CPU máy tính hiện đại.
7. CCD/CMOS sensor lại là một thế giới khá đặc biệt
Cảm biến hình ảnh phải tối ưu cho:
Ánh sáng
↓
Photodiode
↓
Điện tích
↓
Tín hiệu analog
↓
ADC
↓
Digital imageNó cần quan tâm đến:
- độ nhạy ánh sáng
- nhiễu
- dynamic range
- kích thước pixel
- màu sắc
- tốc độ đọc
- hiện tượng blooming
- rolling/global shutter
Vì vậy image sensor không đơn giản chỉ là “một con chip có rất nhiều transistor”.
Nó là sự kết hợp giữa:
quang học + vật lý bán dẫn + mạch analog + mạch số + xử lý tín hiệu.
8. Còn IC nguồn?
IC nguồn có thể nhìn đơn giản:
VIN
│
▼
┌───────────────┐
│ Power IC │
│ │
│ MOSFET │
│ Driver │
│ Comparator │
│ Feedback │
└───────┬───────┘
│
▼
VOUTNhưng bên trong thực tế có thể có:
- MOSFET
- transistor
- comparator
- op-amp
- reference voltage
- oscillator
- protection circuits
- current sensing
- logic control
Do đó một IC nguồn hiện đại cũng có thể khá phức tạp.
9. Điều rất thú vị: không phải cứ “chip nhỏ hơn” là tốt hơn
Đây là một hiểu lầm phổ biến.
Ví dụ:
CPU
Muốn transistor rất nhỏ:
nm → nhỏvì cần mật độ transistor cao.
Power MOSFET
Lại có những phần cần diện tích lớn để chịu:
V cao
I lớn
nhiệt lớnVì vậy không thể đơn giản lấy công nghệ CPU rồi dùng nó để chế tạo mọi MOSFET công suất.
10. Có thể hình dung ngành bán dẫn như thế này
SILICON
│
▼
Semiconductor
technology
│
┌────────────┼────────────┐
│ │ │
▼ ▼ ▼
Digital Analog Power
│ │ │
│ │ ├── MOSFET
│ │ ├── IGBT
│ │ └── Power IC
│ │
│ ├── Op-Amp
│ ├── Sensor
│ └── ADC
│
├── AVR
├── PIC
├── STM32
├── CPU
└── MemoryTất cả đều có gốc chung là công nghệ bán dẫn, nhưng các nhánh công nghệ đã phát triển theo những hướng khác nhau.
11. Vậy công nghệ chế tạo CCD/CMOS sensor có “siêu cao” không?
Có, đặc biệt với image sensor hiện đại.
Nhưng cần nói chính xác:
Không phải mọi CCD/CMOS sensor đều sử dụng node tiên tiến nhất của CPU.
Sensor có những yêu cầu riêng.
Ví dụ một cảm biến ảnh phải tạo ra hàng triệu pixel:
┌────────────────────────────┐
│ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ │
│ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ │
│ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ │
│ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ │
│ ... │
└────────────────────────────┘Mỗi pixel phải có cấu trúc quang điện rất chính xác.
Ngoài ra còn có các mạch:
Pixel array
↓
Row decoder
↓
Column circuits
↓
Amplifier
↓
ADC
↓
Digital processingĐây là một công nghệ rất tinh vi.
12. Một điều còn quan trọng hơn: “công nghệ sản xuất” không chỉ là kích thước nm
Khi nghe:
“3 nm”, “5 nm”, “28 nm”, “180 nm”
người ta thường nghĩ đó là toàn bộ công nghệ chế tạo chip.
Thực tế không đơn giản như vậy.
Một quy trình chế tạo còn bao gồm:
Transistor structure
+
Materials
+
Doping
+
Gate dielectric
+
Metal layers
+
Analog devices
+
High-voltage devices
+
Memory
+
Isolation
+
Packaging
...Ví dụ một MCU có thể sử dụng quy trình phù hợp với:
Digital logic
+
Flash memory
+
Analog
+
ADC
+
High-voltage I/OTrong khi CPU cao cấp có thể tối ưu cực mạnh cho:
High-density digital logic
+
SRAM
+
High speed13. Và đây là lý do một con STM32 vài chục nghìn đồng vẫn cực kỳ “phi thường”
Bạn đang dùng STM32F103C8T6.
Bên trong nó không chỉ có:
CPUmà còn có cả một hệ thống:
STM32
│
┌────────────┼────────────┐
▼ ▼ ▼
CPU Memory Peripherals
│ │ │
Cortex-M3 Flash/SRAM GPIO
│
Timer
│
ADC
│
USART
│
SPI
│
I2C
│
USBTất cả được chế tạo trên một miếng silicon duy nhất.
Đây chính là điều kỳ diệu của công nghệ IC.
Và nếu đi sâu hơn một tầng nữa…
Có một câu hỏi cực kỳ thú vị tiếp theo:
Làm thế nào từ một miếng silicon vô tri người ta có thể “vẽ” hàng triệu transistor, dây dẫn và các lớp mạch lên đó?
Câu trả lời dẫn đến quang khắc (photolithography).
Nó gần giống như:
Wafer silicon
↓
phủ vật liệu
↓
phủ photoresist
↓
chiếu ánh sáng qua mask
↓
hiện ảnh
↓
ăn mòn
↓
doping
↓
tạo transistor
↓
lặp lại hàng chục/hàng trăm lần
↓
một wafer chứa hàng trăm/hàng nghìn chipVà từ đây chúng ta sẽ chạm đến những công nghệ cực kỳ “khủng” như DUV, EUV, transistor FinFET/GAA, wafer, mask, cleanroom, ASML, TSMC, Samsung, Intel… — tức là phần sâu nhất của ngành công nghiệp bán dẫn hiện đại.
