Truyền thông giữa các chip bằng công nghệ không dây băng siêu rộng (ultra wideband)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  NGUYỄN CHÍ NHÂN TRUYỀN THÔNG GIỮA CÁC CHIP BẰNG CÔNG NGHỆ KHÔNG DÂY BĂNG SIÊU RỘNG (Ultra-wideband) CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 62 44 03 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Tp Hồ Chí Minh - 2016 Công trình hoàn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Tp HCM Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa PGS.TS Đinh Văn Ánh Người phản biện: Phản biện 1: PGS.TS Trần Công Hùng Phản biện 2: TS Huỳnh Phú Minh Cường Phản biện 3: TS Lê Đức Hùng Phản biện độc lập 1: PGS.TS Trần Công Hùng Phản biện độc lập 2: TS Hồ Văn Cừu Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Tp HCM vào lúc …… …, ngày …… tháng … năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM - Thư viện Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên MỞ ĐẦU Ngày nay, với mật độ tích hợp vi mạch ngày cao vi mạch System on Chip (SoC), nhà thiết kế gặp phải khó khăn định như: công suất tiêu thụ cao, tốc độ xử lý, tốc độ truyền tải liệu việc xếp linh kiện đế silicon Bên cạnh đó, vấn đề kết nối chip hệ thống kết nối truyền thống sớm gặp phải giới hạn vật liệu Trong mạch tích hợp hai chiều (2D chip) truyền thống việc kết nối chip thực thông qua bonder-wire PCB line (Hình 1) Điện cảm điện dung ký sinh bonder-wire PCB line làm giới hạn tốc độ truyền liệu, đồng thời tăng độ trễ Chip A Chip B Hình 1: Truyền thông hai chip sử dụng dây dẫn [18] Nhiều nghiên cứu đề xuất phương pháp mạch tích hợp theo không gian ba chiều (mạch tích hợp ba chiều - 3D chip) [15, 16, 63, 67, 68], chip xếp chồng lên theo chiều thẳng đứng, nhằm gia tăng mật độ kết nối, giảm chiều dài dây kết nối, giảm độ trễ mạch cải thiện tốc độ truyền tải liệu so với kỹ thuật mạch tích hợp 2D truyền thống Tuy nhiên, phương pháp kết nối dây dẫn mạch tích hợp ba chiều có hạn chế như: hệ thống lớn, nhiều dây kết nối phức tạp, giới hạn khả thiết lập kết nối đế silicon, vấn đề tiêu thụ lượng tốc độ truyền tải liệu Gần đây, kỹ thuật truyền thông không dây chip quan tâm nghiên cứu kỹ thuật có khả khắc phục hạn chế kỹ thuật kết nối dây dẫn Thêm vào đó, kỹ thuật truyền thông không dây thích hợp với hệ thống lớn system-on-chip system-in-package Một số kết nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật truyền thông không dây chip mạch tích hợp ba chiều (Hình 2) công bố như: sử dụng kết nối điện cảm [18, 19, 44, 84], kết nối điện dung [9, 21, 22, 35, 90] nghiên cứu ăng-ten on-chip [8, 44, 56, 124, 143] Kỹ thuật kết nối điện cảm điện dung thường sử dụng -1- việc kết nối không dây cục (local wireless interconnects LWI) chip liền kề mạch tích hợp ba chiều khoảng cách vài chục μm Kỹ thuật kết nối không dây sóng điện từ sử dụng việc kết nối không dây toàn cục (global wireless interconnects - GWI) chip mạch tích hợp ba chiều khoảng cách vài cm [51, 66] Source: ChipPac Hình 2: Kỹ thuật kết nối không dây mạch tích hợp ba chiều [51, 66] Vào năm 2002, Hiệp hội truyền thông liên bang (FCC Federal Communications Commission) phê chuẩn luật cho phép thiết bị không dây thương mại khoảng cách ngắn sử dụng công nghệ truyền thông băng siêu rộng Ultra-wideband (UWB) hoạt động tần số từ 3,1 GHz đến 10,6 GHz Trong năm gần đây, số công trình nghiên cứu tập trung vào việc kết nối không dây bên chip chip với việc ứng dụng công nghệ truyền thông băng siêu rộng UWB [71, 87, 114] Truyền thông không dây chip xu hướng giải toán truyền liệu tốc độ cao chip thay phương pháp dùng kết nối dây dẫn truyền thống bối cảnh mật độ tích hợp chip ngày cao chip ngày tích hợp nhiều chức có diện tích lớn Đây toán lớn khoa học giới Kỹ thuật truyền thông không dây chip sử dụng công nghệ UWB đề xuất nghiên cứu luận án Công nghệ đem đến thuận lợi như: truyền tín hiệu với tốc độ cao chip, tiêu hao lượng thấp, giảm mật độ kết nối phức tạp dây dẫn, giảm thời gian trễ, giảm độ phức tạp hệ thống, truyền khoảng cách xa so với kết nối điện dung điện cảm, kết nối thích hợp cho việc truyền thông chip Với mục tiêu -2- đề nội dung luận án bố cục thành chương sau: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI LUẬN ÁN: Chương sơ lược đề tài luận án, bao gồm nội dung: giới thiệu tổng quan, mục tiêu đề tài luận án, phương pháp đối tượng nghiên cứu, bố cục luận án Chương 2: CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG UWB GIỮA CÁC CHIP: Chương trình bày tổng quan công nghệ truyền thông UWB Phân tích kỹ thuật kết nối không dây chip Đề xuất ứng dụng công nghệ truyền thông UWB việc truyền thông chip Tính toán thông số hệ thống thu phát UWB nghiên cứu mẫu ăng-ten cho truyền thông UWB Chương 3: BỘ PHÁT XUNG UWB: Chương tập trung chi tiết vào việc phân tích, thiết kế mô phát xung UWB sử dụng mạch dao động LC, áp dụng kỹ thuật mạch dao động vi sai ghép chéo Xác định thông số kỹ thuật phát xung như: biên độ đỉnh-đỉnh, độ rộng xung, tần số trung tâm (fc), mật độ phổ công suất lượng xung Trên sở đánh giá hoạt động phát xung UWB nhằm ứng dụng việc truyền thông chip Chương 4: BỘ THU UWB: Chương trình bày chi tiết nguyên lý thiết kế mô thu UWB Bộ thu UWB thiết kế gồm khối: khuếch đại nhiễu thấp, khối cân tích cực, khối giải điều chế OOK Các mạch khối thu phân tích, thiết kế mô chi tiết dựa công nghệ CMOS 0,13 um, nhằm làm sở để đánh giá hoạt động thu hệ thống truyền thông UWB chip Chương 5: ĂNG-TEN UWB, KIỂM TRA BỘ THU PHÁT UWB VÀ LAYOUT CHIP: Chương trình bày kết thiết kế, mô ăngten UWB kích thước nhỏ kiểm tra hoạt động thu phát UWB thiết kế, nhằm xác định thông số hệ thống thu phát UWB như: băng thông, tốc độ truyền liệu, công suất phát thu, tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR), Thực layout mô sau layout thu phát sử dụng công cụ Cadence công nghệ thiết kế CMOS 0,13μm KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: Chúng trình bày kết đạt luận án kiến nghị, định hướng phát triển nhằm đưa vào ứng dụng thực tế công nghệ thiết kế chip -3- Chương TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI LUẬN ÁN 1.1 Đặt vấn đề nghiên cứu Trong truyền thông chip sử dụng kết nối dây dẫn có hạn chế tốc độ truyền liệu nhiễu xuyên âm (crosstalk) phân tán Ngoài ra, hệ thống hoạt động tần số cao bị ảnh hưởng ký sinh như: điện trở, điện dung điện cảm ký sinh Điện dung điện cảm ký sinh có liên quan đến việc tăng thời gian trễ mạch (RC LC) Một số phương pháp đưa nhằm cải thiện hiệu suất kết nối cách giảm điện trở (sử dụng đồng) giảm số điện môi vật liệu (sử dụng low-k polymer) Tuy nhiên, phương pháp sớm gặp phải khó khăn định vật liệu Do đó, vấn đề truyền thông liên chip sử dụng kết nối không dây thay cần xem xét, việc tăng cường tốc độ liệu, giúp đơn giản hóa việc thiết kế hệ thống Hệ thống dây điện đơn giản hóa đáng kể hệ thống thu nhỏ, điều dẫn đến giảm chi phí sản xuất Đối với hệ thống lớn với mật độ tích hợp cao truyền thông không dây chip sử dụng kết nối điện cảm điện dung sớm gặp phải khó khăn định giới hạn vật liệu Cụ thể kỹ thuật kết nối điện dung, cần phải có mạch nạp lượng hai chip, điều làm cho hệ thống phức tạp làm tăng công suất tiêu thụ Trong kỹ thuật kết nối điện cảm, vấn đề thiết kế chế tạo điện cảm phức tạp, chiếm nhiều diện tích chip dẫn đến chi phí sản xuất cao Ngoài ra, hệ thống hoạt động tần số cao (GHz) xuất điện trở điện dung ký sinh làm ảnh hưởng đến thu phát tín hiệu Kỹ thuật truyền thông không dây liên chip sử dụng công nghệ truyền thông UWB quan tâm nghiên cứu Công nghệ đem đến thuận lợi như: - Truyền tín hiệu với tốc độ cao chip LSI - Tiêu hao lượng thấp - Giảm mật độ kết nối phức tạp dây dẫn: giảm thời gian trễ, giảm độ phức tạp hệ thống - Truyền khoảng cách xa so với kết nối điện dung điện cảm Kết nối không dây UWB thích hợp cho việc truyền thông chip -4- Một số kết nghiên cứu truyền thông liên chip sử dụng kết nối sóng điện từ [71, 87, 114] Tuy nhiên, kết nghiên cứu cho thấy: tác giả [71] [87] sử dụng xung Gaussian monocycle có mật độ phổ công suất lớn -41,3 dBm/MHz (không thoả quy định FCC mật độ phổ công suất) phát xung UWB nêu hoạt động dải tần thấp UWB (3,1 – GHz) Tuy nhiên theo khuyến cáo số nước như: Hàn Quốc, Nhật Bản, Canada nên tránh sử dụng dải tần nhằm tránh bị ảnh hưởng ứng dụng không dây khác [58] Trong luận án tập trung thiết kế thu phát UWB hoạt động dải tần cao UWB (6 – 10 GHz), nhằm ứng dụng việc truyền thông tin vô tuyến chip vi xử lý tốc độ cao cự ly ngắn Điều dẫn đến mức can nhiễu sóng điện từ hệ thống truyền thông từ bên có giá trị thấp nhất, hướng nghiên cứu có tính khả thi Hình 1.1: Dải tần UWB khu vực khác [58] Những kết nghiên cứu bước đầu thiết kế thử nghiệm mạch thu phát UWB với việc tích hợp ăng-ten bên chip Từ kết nghiên cứu mở hướng nghiên cứu phát triển công nghệ truyền thông không dây UWB cho việc truyền thông liên chip tương lai Đây sở để tham khảo thiết kế thu phát UWB nhằm hướng đến ứng dụng truyền thông không dây chip 1.2 Mục tiêu Nghiên cứu kỹ thuật kết nối không dây chip sử dụng công nghệ truyền thông băng siêu rộng (UWB) nhằm đem đến lợi ích việc thiết kế hệ thống như: tiêu hao lượng thấp, tốc độ truyền tải liệu cao, thời gian trễ mạch thấp giảm mật độ kết nối phức tạp dây dẫn Trong hệ thống truyền thông UWB -5- thu phát UWB phận quan trọng thu phát định đến toàn hoạt động hệ thống Bộ thu phát UWB phân tích, thiết kế, mô phỏng, layout mô sau layout sử dụng công nghệ thiết kế CMOS 0,13 μm nhằm mục tiêu ứng dụng việc truyền thông chip hệ thống máy tính Bộ thu phát UWB hoạt động dải tần cao UWB (6 – 10 GHz) Bên cạnh kỹ thuật truyền thông liên chip ăng-ten UWB kích thước nhỏ phân tích dẫn chứng nhằm minh chứng cho khả ứng dụng công nghệ UWB việc truyền thông chip Thực mô hình kiểm tra thu phát UWB trình bày Hình 1.2, điện trở 50  sử dụng để thay cho ăng-ten Thực thiết kế layout mô sau layout thu phát UWB nhằm làm sở để đánh giá hoạt động thu phát UWB Ngoài thu phát mô góc xử lý (process corners) khác nhau: Fast-Fast, Fast-Slow, Typical-Typical, Slow-Fast, Slow-Slow, nhiệt độ khác (oC): -50, -25, 0, 25, 50, 75, 100, 125 để làm luận trực quan cho nhà nghiên cứu việc thiết kế, chế tạo phần cứng linh kiện vi mạch, vi xử lý tốc độ cao thực tế Để đáp ứng mục tiêu thiết kế thu phát UWB đặt yêu cầu thiết kế hệ thống trình bày Bảng 1.1 TRANSMITTER Clock Modulator Impulse Generator Input Data RECEIVER LNA Active Balun   Gilbert cells down-converter Integrator Output Data Comparator Demodulator Hình 1.2: Mô hình hệ thống thu phát UWB Bảng 1.1: Thông số yêu cầu hệ thống Các thông số hệ thống Công nghệ thiết kế (μm) Điện áp nguồn (V) Giá trị cần đạt CMOS 0,13 1,2 Ghi Việc lựa chọn công nghệ thiết kế CMOS 0,13 μm với điện áp nguồn 1,2 V nhằm đáp ứng công suất tiêu thụ thấp -6- Ngoài việc lựa chọn công nghệ phụ thuộc vào thư viện thiết kế hỗ trợ từ phía Trung tâm ICDREC, Đại Học Quốc Gia TP.HCM Tần số trung tâm-fc (GHz) Tốc độ truyền tải liệu cao (Mbps) Băng thông (GHz) Phương pháp điều chế Tỉ lệ lỗi bit (BER) Môi trường truyền Khoảng cách truyền(cm) Bộ phát xung UWB Bộ thu UWB Loại ăng-ten 500 OOK 10-6 không khí < 50 Bảng 2.1 Bảng 2.2 Bảng 2.3 – 10 GHz Khoảng cách hai thu phát Kỹ thuật mạch vi sai ghép chéo (crosscoupled differential) Bộ thu không kết hợp (non-coherent receiver) Ăng-ten đơn cực (monopole), xạ đẳng hướng với kích thước nhỏ 1.3 Phương pháp đối tượng nghiên cứu - Các mạch điện thu phát UWB thiết kế dựa phương pháp thiết kế vi mạch tương tự theo phương pháp thiết kế từ lên - Thiết kế mạch điện có cấu trúc bao gồm linh kiện MOSFET, điện dung, điện cảm, điện trở, - Xây dựng thành khối chức (cell/block/module), như: khối cổng logic (AND, OR, NOT, XOR,…) [2] - Tổng hợp khối chức thành mạch có chức phức tạp - Tùy vào chức chip, mạch điện lớp (top-level) bao gồm nhiều mạch chức nối với Trong trình thiết kế mạch, thực dựa lưu đồ thiết kế vi mạch tương tự công cụ thiết kế Cadence (Hình 1.3) Đặt tả yêu cầu thiết kế (điều kiện ngõ vào ra) Tính toán thiết kế mức Schematic Mô No Thoả mãn yêu cầu thiết kế schematic? Yes Thiết kế Layout Kiểm tra Layout -Kiểm tra vật lý: DRC LVS -Trích ký sinh No Thoả mãn yêu cầu thiết kế layout ? Yes Mô sau Layout No Thoả mãn yêu cầu mô sau layout ? Yes Chế tạo chip thử nghiệm Đo lường kiểm tra chip Hình 1.3: Lưu đồ thiết kế vi mạch tương tự sử dụng công cụ Cadence -7- Chương 2: CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG UWB GIỮA CÁC CHIP 2.1 Tổng quan công nghệ UWB Qui định FCC tín hiệu UWB: mật độ phổ công suất cực thấp băng thông rộng Tín hiệu UWB phải có băng thông lớn 500MHz hay hệ số băng thông lớn 20% Hệ số băng thông Bf đo điểm 10 dB phổ tần tính theo công thức sau: Bf  BW fH  fL f  fL 100%  100%  H 100%  20% fC ( fH  fL ) / fH  fL (2.1) Trong đó: BW = fH - fL băng tần 10dB hệ thống, fC = (fH + fL)/2 tần số trung tâm, fH tần số cao với công suất thấp 10dB so với tần số có công suất cực đại fL tần số thấp với công suất thấp 10dB so với tần số có công suất cực đại Hình 2.1: Tính hệ số băng thông Bf 2.2 Kết nối không dây chip công nghệ UWB Đối với hệ thống lớn với mật độ tích hợp cao truyền thông không dây liên chip sử dụng kết nối điện cảm điện dung gặp phải khó khăn định Kỹ thuật truyền thông không dây liên chip sử dụng công nghệ truyền thông UWB đề xuất nghiên cứu luận án Chúng phân tích, tính toán thông số hệ thống thu phát UWB đưa yêu cầu thiết kế thu phát UWB nhằm ứng dụng cho việc truyền thông không dây liên chip Cụ thể yêu cầu thiết kế hệ thống trình bày bảng sau: -8- Hình 4.18: Kết mô theo thời gian ngõ khối so sánh Kết mô thay đổi tín hiệu ngõ vop vom trình bày Hình 4.19, với tín hiệu ngõ vào: Vm = 600 mV Vp chạy từ đến 1,2 V Kết mô Hình 4.20 cho thấy điện áp offset mạch so sánh khoảng 12 mV Hình 4.20: Điện áp offset Hình 4.19: Thay đổi tín hiệu ngõ vop vom Bảng 4.1: Kết thực thu UWB Thông số kỹ thuật Công nghệ thiết kế (μm) Băng thông (GHz) S11 (dB) S21 (dB) S12 (dB) S22 (dB) NF(bộ thu) = NF(LNA) + NF(Gilbert) (dB) Hệ số ổn định k Độ lợi chuyển đổi (dB) Yêu cầu cần đạt CMOS 0,13μm - 10 < -10 > 10 < -30 < -10 Kết thực mô Schematic CMOS 0,13μm - 10 < -12 > 15 < -31,8 < -10 < 17,8 11,5 >1 >8 > 2,8 8,3 - 17 - Hệ số tuyến tính IIP3 (dBm) Độ nhạy thu (dBm) Điện áp nguồn (V) Công suất tiêu thụ trung bình (mW) Diện tích chip (mm2) >5 < -46,3 1,2 < 30 17,8 < -33,9 < -10 2,2 > 2,6 7,7 2,5 4,8 8,92 12 < -12 > 15,7 < -32,5 < -10 2,5 > 2,9 7,75 2,5 4,8 8,92 12 – 10 < -12 > 15 < -31,8 < -10 2,5 > 2,8 8,3 -3,8 5,9 12 < -10,7 > 14 < -31 < -9,2 2,6 > 2,7 8,3 -12,3 2,4 9,3 12 < 9,2 > 10,9 < -29,7 < -8,2 3,0 > 3,2 8,3 -12,3 2,4 9,3 12 Bảng 5.7: Thông số thu theo nhiệt độ - 26 - Nhận xét: Bảng 5.6 trình bày kết mô thu theo góc xử lý, kết cho thấy giá trị thông số S11, S21 S22 góc xử lý SF, SS bị giảm so với góc xử lý khác FF, FS, TT, NF S12 tăng transistor MOS hoạt động góc xử lý SF, SS Với kết mô thu theo nhiệt độ (Bảng 5.7) cho thấy giá trị thông số S11 S21 bị giảm nhiệt độ tăng, thông số khác thay đổi không đáng kể Độ lợi chuyển đổi giảm nhiệt độ tăng, giảm dB so với nhiệt độ phòng nhiệt độ 75 o C giảm dB so với nhiệt độ phòng nhiệt độ 100 oC Hệ số nhiễu NF NFdsb tăng nhiệt độ tăng Các thông số khác có giá trị thay đổi nhỏ Trong trường hợp transistor MOS hoạt động trạng thái xấu như: SF, FS nhiệt độ thấp cao tiêu thiết kế thu phát đáp ứng yêu cầu KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận chung: Truyền thông không dây chip xu hướng giải toán truyền liệu tốc độ cao chip thay phương pháp dùng kết nối dây dẫn truyền thống bối cảnh mật độ tích hợp chip ngày cao chip ngày tích hợp nhiều chức có diện tích lớn Đây toán lớn khoa học giới Luận án trình bày tổng quan công nghệ UWB kỹ thuật kết nối truyền thông không dây chip như: kết nối dây dẫn, kết nối không dây điện cảm điện dung phân tích đánh giá Đề xuất ứng dụng UWB việc truyền thông không dây chip Dải tần cao UWB (từ GHz - 10 GHz) chọn để thiết lập kênh truyền thông tin vô tuyến chip vi xử lý tốc độ cao cự ly ngắn, điều dẫn đến mức can nhiễu sóng điện từ hệ thống truyền thông từ bên có giá trị thấp nhất, hướng nghiên cứu có tính khả thi Lựa chọn giải pháp thiết kế mô hình phát tín hiệu siêu rộng dùng điều chế trực tiếp OOK với dòng liệu số 500 Mbit/s, mật độ phổ công suất thấp nhỏ -41,3 dBm/MHz, mô hình thu giải điều chế trực tiếp ăng-ten đơn cực với kích thước nhỏ gọn để xạ tín hiệu sóng điện - 27 - từ phạm vi hẹp mô hình đơn giản, phù hợp với yêu cầu toán tối ưu phần cứng ghép nối tín hiệu công nghệ chế tạo vi mạch, vi xử lý tóc độ cao Sử dụng phần mềm thiết kế chuyên dụng Cadence để thực việc thiết kế, mô kết hoạt động hệ thống thu kết biên độ xung phát, độ rộng xung, tần số dao động sóng mang, độ nhạy thu hệ số nhiễu thu nằm giới hạn cho phép hệ thống truyền tín hiệu băng siêu rộng UWB, kết công cụ đánh giá chất lượng hệ thống Dự kết mô thu phát xung theo góc xử lý như: FF, FS, SF, SS, TT khoảng nhiệt độ làm việc từ -50oC đến +125oC, chọn góc xử lý trung bình TT nhiệt độ 25oC có thông số ổn định cao nhất; biên độ đỉnh-đỉnh xung 88,6 mV, độ rộng xung 586 ps, tần số phát dao động 8,0 GHz Ứng dụng công nghệ CMOS 0,13 μm GlobalFoundries để thiết lập mô hình mô phỏng, thiết kế layout mô sau layout hệ thống thu phát tín hiệu băng tần siêu rộng UWB (6 – 10 GHz) Kết mô thống kê tham số theo góc xử lý FF, FS, TT, SF, SS khoảng nhiệt độ làm việc từ -50oC đến +125oC để làm luận trực quan cho nhà nghiên cứu việc thiết kế, chế tạo phần cứng linh kiện vi mạch, vi xử lý tốc độ cao thực tế Xác định thông số làm việc ổn định hệ thống truyền thông chip góc xử lý trung bình TT nhiệt độ 25oC; tốc độ liệu 500Mbit/s, mật độ phổ công suất phát -55 dBm/MHz (mô schematic) -60 dBm/MHz (mô sau layout), tần số sóng mang 8,0 GHz, biên độ đỉnh-đỉnh xung 88,6 mV, độ nhạy thu -52,6 dBm (với BER 10-6), diện tích die thu phát UWB vào khoảng 0,36 mm2, diện tích phát xung 0,1 mm2, diện tích thu 0,26 mm2 Các kết luận án bước đầu giải số vấn đề xu hướng truyền liệu tốc độ cao chip Các kết nghiên cứu đóng góp cho khoa học cho ngành Vật lý Điện tử Thiết kế vi mạch nước Kết thu phát UWB xem sở để tham khảo đánh giá hoạt động chip sau chế tạo Bên cạnh đó, số báo khoa học liên quan đến thu phát UWB đăng tạp chí hội nghị khoa học chuyên ngành nước Với kết đạt cho thấy khả ứng dụng thu phát UWB việc truyền thông - 28 - chip hệ thống máy tính khả thi Khả ứng dụng thu phát UWB việc truyền thông chip với (inter-chip) hướng đến việc truyền thông die bên mạch tích hợp ba chiều (3-D inner-chip) Giới hạn luận án: Trong trình thực luận án gặp phải khó khăn chủ quan lẫn khách quan như: - Việc lựa chọn công nghệ thiết kế: phụ thuộc vào thư viện thiết kế hỗ trợ từ phía Trung tâm Nghiên cứu Đào tạo Thiết kế Vi mạch, Đại Học Quốc Gia TP.HCM (ICDREC) - Chưa chế tạo chip thu phát UWB để kiểm tra thử nghiệm thực tế Trong điều kiện Nghiên cứu sinh việc chế tạo chip gặp nhiều khó khăn như: chi phí chế tạo, thời gian chế tạo, phần mềm công cụ thiết kế chế tạo (Nghiên cứu sinh sử dụng phần mềm thư viện thiết kế Trung tâm ICDREC hỗ trợ có giới hạn) Đây khó khăn chung ngành vi mạch Việt Nam việc chế tạo chip Kiến nghị: Công trình nghiên cứu nghiên cứu thêm để cải thiện hiệu suất hệ thống giảm công suất tiêu thụ, giảm nhiễu thu phát Cần tối ưu hoá thiết kế layout thu phát UWB cho bị ảnh hưởng ký sinh nhằm làm tăng biên độ đỉnh-đỉnh xung UWB, giảm nhiễu thu đảm bảo độ lệch kết mô sau layout mô từ schematic dB Vấn đề thiết kế layout đòi hỏi kinh nghiệm áp dụng tốt kỹ thuật layout nhằm giảm thiểu ký sinh mạch Thiết kế mô hình thu phát tín hiệu hai chiều, chia băng tần UWB (6 – 10 GHz) thành nhiều băng để thiết kế nhiều kênh truyền đồng thời qua xây dựng toán khắc phục nhiễu xác Bên cạnh đó, để phát triển ứng dụng dựa thu phát cần phải có nghiên cứu khác như: nghiên cứu công nghệ kỹ thuật thu nhỏ kích thước ăng-ten nhằm tích hợp bên chip, nghiên cứu công nghệ mạch tích hợp ba chiều - 29 - DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC TẠP CHÍ KHOA HỌC QUỐC TẾ: 03 [1] Nhan Nguyen, Nghia Duong, Anh Dinh (2012), “A CMOS Impulse Radio Ultra-Wideband Transceiver for Inter/Intra-chip Wireless Interconnection,” Journal of Emerging Trends in Engineering and Applied Sciences (JETEAS), pp 292-933, Vol.3, No.6, ISSN: 2141-7016 [2] Nhan Nguyen, Nghia Duong, Anh Dinh (2012), “A 0.13μm CMOS Low-Noise Amplifier Using Resistive Feedback Current Reuse Technique for 3.1-10.6 GHz Ultra-Wideband Receivers,” Journal of Emerging Trends in Engineering and Applied Sciences (JETEAS), pp 235-238, Vol.3, No.6, ISSN: 2141-7016 [3] Nhan Nguyen, Nghia Duong, Anh Dinh (2013), “A CMOS Impulse Radio Ultra-Wideband Receiver for Inner/Inter-chip Wireless Interconnection,” Journal of Institute of Korean Electrical and Electronics Engineers (IKEEE), Vol 17, No 2, pp 176-181 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRONG NƯỚC: 04 [4] Nguyễn Chí Nhân, Nguyễn Văn Thái Bình, Dương Hoài Nghĩa, Đinh Văn Ánh (2011), “Thiết kế mô hệ thống UWB đề xuất giải pháp kết nối UWB mạch tích hợp 3-D,” Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh, Số 20 (2011), trang 41-50, ISSN: 18591272 [5] Nguyễn Chí Nhân, Dương Hoài Nghĩa, Đinh Văn Ánh (2011), “Nghiên Cứu Kỹ Thuật Kết Nối Giữa Các Die Trong Mạch Tích Hợp 3-D,” Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh, Số 20, trang 3540, ISSN: 1859-1272 [6] Nguyễn Chí Nhân, Dương Hoài Nghĩa, Đinh Văn Ánh (2012), “Phân tích tính chất vật lý mô hình kênh UltraWideband việc truyền thông khoảng cách ngắn,” Tạp chí phát triển Khoa học Công nghệ, Đại học Quốc gia TP.HCM, trang 17-26, tập 15, số T3-2012, ISSN: 1859-0128 [7] Nguyễn Chí Nhân, Dương Hoài Nghĩa, Đinh Văn Ánh (2015), “Thiết kế mô tạo xung UWB dựa mạch dao - 30 - động vi sai LC-tank,” Tạp chí phát triển Khoa học Công nghệ, Đại học Quốc gia TP.HCM, trang 228 – 244, Tập 18, Số T4/2015 BÀI BÁO ĐĂNG KỶ YẾU HỘI NGHỊ QUỐC TẾ: 04 [8] Nhan Nguyen, Tao Wang, Nghia Duong, Anh Dinh (2012), “A 90nm CMOS High Order Derivative Gaussian Pulse Generator Using LC-Tank Oscillator for 6-10GHz UWB Transceiver,” The 2012 IEEE International Conference on Ultra-Wideband (ICUWB2012), Syracuse, NY USA, pp 379-382, 2012 [9] Nhan Nguyen, Nghia Duong, Anh Dinh (2012), “A High Order Derivative Gaussian Pulse Generator using LC-Tank for 6.310GHz UWB Transmitter,” Proceeding of The Fourth International Conference on Communications and Electronics (ICCE'12), pp 559-564, Hue, Vietnam, 2012 [10] Muhammad Raashid Khan, Nhan Nguyen, Nghia Duong, Anh Dinh (2013), “Design of On-Chip antenna for UWB Communications Systems,” The 2013 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC 2013), pp 737-739, October 16–18 [11] Nhan Nguyen, Nghia Duong and Anh Dinh (2011), “UWB Channel Model for Extremely Short Distance Communications Using in 3-D Integration,” Annual International Conference on Information Theory and Application (ITA 2011), Singapore, pp I-1 – I-4, (ISBN: 978-981-08-8113-9) BÀI BÁO ĐĂNG KỶ YẾU HỘI NGHỊ TRONG NƯỚC: 01 [12] Nguyễn Chí Nhân, Dương Hoài Nghĩa, Đinh Văn Ánh (2010), “Nghiên Cứu Công Nghệ Mạch Tích Hợp Chiều (3-D),” Hội nghị khoa học cấp Trường ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐHQG TP.HCM lần 7, VIII-P-10, Nov 2010 - 31 - [...]... trình bày tổng quan về công nghệ UWB và các kỹ thuật kết nối truyền thông không dây giữa các chip như: kết nối bằng dây dẫn, kết nối không dây bằng điện cảm và điện dung cũng đã được phân tích và đánh giá Đề xuất ứng dụng UWB trong việc truyền thông không dây giữa các chip Dải tần cao của UWB (từ 6 GHz - 10 GHz) được chọn để thiết lập kênh truyền thông tin vô tuyến giữa các chip vi xử lý tốc độ cao... ở nhiệt độ thấp nhất và cao nhất thì các chỉ tiêu thiết kế của bộ thu phát vẫn đáp ứng được yêu cầu KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận chung: Truyền thông không dây giữa các chip là xu hướng giải quyết bài toán truyền dữ liệu tốc độ cao giữa các chip thay thế phương pháp dùng kết nối dây dẫn truyền thống trong bối cảnh mật độ tích hợp trên chip ngày càng cao và các chip ngày càng tích hợp nhiều chức năng... việc truyền thông - 28 - giữa các chip trong hệ thống máy tính là rất khả thi Khả năng ứng dụng bộ thu phát UWB trong việc truyền thông giữa các chip với nhau (inter -chip) và hướng đến việc truyền thông giữa các die bên trong mạch tích hợp ba chiều (3-D inner -chip) Giới hạn của luận án: Trong quá trình thực hiện luận án chúng tôi gặp phải những khó khăn chủ quan lẫn khách quan như: - Việc lựa chọn công. .. xung giảm khoảng 37 mV, đối với truyền thông UWB giữa các chip (ở khoảng cách vài chục cm) thì biên độ này đủ lớn để truyền đến bộ thu mà không cần sử dụng bất kỳ bộ khuếch đại tín hiệu băng rộng Độ rộng xung UWB khoảng 631 ps (tăng 45 ps so với mô phỏng từ schematic), độ rộng xung này nhỏ hơn so với [88], thoả mãn yêu cầu độ rộng xung cho truyền thông UWB ở khoảng cách ngắn Năng lượng xung đạt 1,1... công nghệ truyền thông UWB đã được phân tích như: ưu nhược điểm của công nghệ UWB Phân tích và đánh giá các kỹ thuật kết nối truyền thông liên chip như: bằng dây dẫn, kết nối không dây bằng điện cảm và điện dung Phân tích tính toán các thông số hệ thống thu phát UWB và mẫu ăng-ten kích thước nhỏ nhằm đáp ứng cho việc truyền thông liên chip Chương 3: BỘ PHÁT XUNG UWB 3.1 Tổng quan bộ phát xung UWB Bộ... yêu cầu cho việc truyền thông giữa các chip sử dụng công nghệ băng thông siêu rộng UWB, nó đảm bảo hoạt động tốt trong dải tần cao của UWB (6 - 10 GHz) 5.2 Kiểm tra bộ thu phát UWB Mô hình kiểm tra bộ thu phát UWB trình bày trong Hình 5.3 Hình 5.3: Mô hình kiểm tra hệ thống bộ thu phát UWB Mô hình kiểm tra hệ thống bộ thu phát UWB được thực hiện trên phần mềm Cadence dựa trên công nghệ thiết kế CMOS... hiệu trên băng tần siêu rộng UWB (6 – 10 GHz) Kết quả mô phỏng đã thống kê được bản tham số theo các góc xử lý FF, FS, TT, SF, SS và khoảng nhiệt độ làm việc từ -50oC đến +125oC để làm luận cứ trực quan cho các nhà nghiên cứu trong việc thiết kế, chế tạo phần cứng các linh kiện vi mạch, vi xử lý tốc độ cao trong thực tế Xác định thông số làm việc ổn định của hệ thống truyền thông giữa các chip ở góc... với các thông số của các tác giả khác, nhằm tham khảo và đánh giá bộ thu Với kết quả đạt được cho thấy bộ thu đáp ứng cho việc truyền thông tốc độ cao giữa các chip 5.4 Mô phỏng bộ thu phát UWB theo góc xử lý và nhiệt độ Thực hiện mô phỏng bộ thu phát ở các góc xử lý (process corner): FF, FS, TT, SF, SS và ở các nhiệt độ khác nhau (oC): -50, 25, 0, 25, 50, 75, 100, 125, nhằm xem xét sự sai lệch các thông. .. trong quá trình truyền Áp dụng công thức: Lfs = 20 log10(4 π D/λ) (5.3) trong đó: D là khoảng cách giữa bộ thu và bộ phát λ là bước sóng, λ = c/f = 3 x 108ms-1/8GHz = 0,038m - Từ công thức (5.2) và (5.3) xác định được độ suy hao và công suất phát theo khoảng cách giữa bộ thu và bộ phát trong môi trường không khí được trình bày trong Bảng 5.1 Bảng 5.1: Độ suy hao và công suất phát theo khoảng cách D (cm)... trình truyền sẽ gia tăng theo sự gia tăng của khoảng cách giữa bộ thu và bộ phát Công suất phát sẽ tăng khi khoảng cách giữa bộ thu và bộ phát tăng, tuy nhiên công suất phát thấp hơn 0,3 mW, thoả theo qui định của FCC trong dải tần UWB từ 6 – 10 GHz 5.3 Thiết kế layout bộ thu phát UWB Bộ thu phát UWB đã được thiết kế layout dựa trên công nghệ chế tạo CMOS 0,13 μm của GlobalFoundries Thư viện công nghệ